DE2953286A1

DE2953286A1 - Photoacoustic or thermoacoustic microscopy

Info

Publication number: DE2953286A1
Application number: DE792953286A
Authority: DE
Inventors: A Rosencwaig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-11-01
Filing date: 1979-10-26
Publication date: 1980-12-04
Also published as: JPS6239705B2; WO1980001005A1; GB2047896A; GB2047896B; US4255971A; JPS55500883A

Description

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Fotoakustische oder thermoakustische Mikroskopie

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Fotoakustik, insbesondere die thermoakustische oder thermische Wellenmikroskopie für die mikroskopische Untersuchung von Stoffen, insbesondere von Festkörpern, und zwar durch fotoakustische Verfahren.

Der fotoakustische Effekt wurde vor etwa 100 Jahren entdeckt. Der fotoakustische Effekt tritt auf, wenn intensitätsmoduliertes Licht oder eine andere Form elektromagnetischer Strahlung von einer Probe absorbiert wird, wodurch Energieniveaus innerhalb der Probe angeregt werden. Die Erregung dieser Niveaus wird im allgemeinen durch einen nicht strahlenden oder wärmeerzeugenden Vorgang beendet. Die Absorption von intesitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung an irgendeiner Stelle in der Probe ergibt also eine periodische lokalisierte Erhitzung des Probenmediums.

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Das Gebiet der Fotoakustik hat in den letzten Jahren eine umfangereiche Entwicklung erfahren, insbesondere im Gebiet der fotoakustischen Spektroskopie. In den US-Patentschriften 3 948 345 und 4 028 932 der Anmelderin ist ein fotoakustisch2C Verfahren zur spektroskopischen Analyse von Feststoffen in Verbindung mit einer fotoakustischen Zelle beschrieben. Ferner wird verwiesen auf eine Veröffentlichung des Anmelders -- A. Rosencwaig, "Optoacoustic Spectroscopy and Detection", ;;_; (Y.H. Pao, ed.), Kapitel 8, Academic Press, N.Y. 1977. ....

Fotoakustische Studien über gasförmige Proben werden im allgemeinen unter Verwendung eines Mikrophons als Detektor durchgeführt. Die Gasprobe ist in einer akustisch verschlossenen Kammer enthalten, die ferner ein empfindliches Mikrophon enthält. Mit einer Frequenz im Bereich von 20 bis 10.000 Hz zerhacktes oder xntensitatsmoduliertes Licht tritt in die Kammer über ein nicht absorbierendes Fenster ein. Wenn die Gasprobe einfallende Photonen absorbiert, werden Energieniveaus in den Gasmolekülen angeregt. Wenn diese Niveaus abfallen, wird ein Teil der Energie bzw. die gesamte Energie durch Stoßvorgänge in kinetische Energie der Moleküle umgewandelt. Das Gas erfährt somit eine periodische Erhitzung aufgrund der Absorption des intensitätsmodulierten Lichtes. Diese periodische Erhitzung wiederum ergibt einen periodischen Druckanstieg in dem Gas, d.h. Schallwellen, und diese Druckschwankungen bzw. Schallwellen werden dann von dem Mikrophon erfaßt.

Ein großer Teil der derzeitigen Arbeiten über fotoakustische Spektroskopie befaßt sich mit der Erforschung der nichtgasförmigen Stoffe, z.B. Pulver, die eine hohe Lichtstreuung aufweisen. Es gelangt eine ähnliche Gas-Mikrophon-Technik zur Anwendung. Die Pulverprobe wird in eine akustisch verschlossene Zelle eingebracht, die ferner ein nichtabsorbierendes Gas und ein empfindliches Mikrophon enthält. Das einfallende Licht ist intensitätsmoduliert bzw. mit einer Frequenz im Bereich von

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20 bis 10.000 Hz zerhackt. Wenn die Pulverprobe einfallende Photonen absorbiert, werden Energieniveaus in der Probe angeregt. Die Beendigung der angeregten Niveaus durch nichtstrahlende Vorgänge führt zu einer inneren Erhitzung der Probe. Diese wiederum ergibt eine periodische Wärmeströmung bzw. thermische Welle aus der Probe in das umgebende Gas. Die Gasschicht in der Nähe der Feststoffteilchen erfährt eine perio·· dische Erhitzung aufgrund dieser Wärmeströmung, und diese führt zu einem Schalldrucksignal bzw. einer Schallwelle in der Zelle, die von dem Mikrophon erfaßt wird. Diese Gas-Mikrophon-Technik ist zwar eine indirekte Technik, sie ist jedoch sehr empfindlich im Hinblick auf die Messung der internen Erhitzung einer Pulverprobe, und zwar aufgrund des großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen des Pulvers.

Die Fotoakustik einer Feststoffkörperprobe wird zumeist unter Anwendung eines piezoelektrischen Verfahrens am besten gemessen. Das Gas-Mikrophon-Verfahren ist gewöhnlich wegen des niedrigen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen für den Feststoff und die sich daraus ergebende geringere Wärmeübertragung von der Probe auf das Gas in der Zelle ungünstig. Die Stärke der inneren Erhitzung des Feststofffkörpers wird in günstiger Weise durch einen piezoelektrischen Wandler gemessen, der sich in direktem Kontakt mit der Probe befindet. Der piezoelektrische Wandler ertastet die akustische Welle, die in dem Feststoff erzeugt wird, die ein direktes Ergebnis der fotoakustisch erzeugten Wärmewelle ist, welche durch die Absorption der elektromagnetischen Strahlung erzeugt wird. Ein Bleizirkonat-Titanat-Kristall bzw. PZT ist ein geeigneter piezoelektrischer Stoff. Die Probe wird mit intensitätsmoduliertem Licht beleuchtet, wobei die Modulationsfrequenzen gewünschtenfalls bis in den Megahertzbereich gehen, da der piezoelektrische Detektor eine große Bandbreite aufweist.

In dem Werk von Hordvik und Schlossberg, "Photoacoustic

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Technique for Determining Optical Absorption Coefficients in Solids", Applied Optics, Vol. 16, No. 1, Januar 1977, Seite 101/ ist ein fotoakustisches Verfahren unter Anwendung eines Kontaktwandler-Detektors beschrieben, zur Messung der Absorptionskoeffizienten von Feststoffen. Gemäß der US-PS 4 091 681 vom 30. Mai 1978 (Hordvik) wird ein piezoelektri- : scher Wandler verwendet, um zu bestimmen, ob ein fotoakustisches Signal auf Oberflächen- oder Massenabsorption in schwach' absorbierenden Stoffen beruht, die für fotoakustische Mikro-■·-· skopie nicht von Interesse sind. In Callis, "The Calorimetric Detection of Excited States", J. Research N.B.S., Vol. 8OA, No. 3, Mai-Juni 1976, Seite 413, ist ein piezoelektrisches Kalorimeter beschrieben. In Farrow et al., "Piezoelectric Detection of Photoacoustic Signals", Α-plied Optics. Vol. 17, No. 7, 1. April 1978, Seite 1093, ist die Anwendung von piezoelektrischen Detektoren anstelle von Mikrophondetektoren beschrieben; um optisch erzeugte Schallsignale in Feststoffen zu messen. Diese Druckschriften zeigen jedoch nicht, wie die Detektion unter der Oberfläche oder die Sichtbarmachung von lichtundurchlässigen Stoffen verwirklicht werden kann.

In White, J.Appl.Phys., 34, 3559 (1963) ist die Erzeugung von elastischen Wellen durch Oberflächenerhitzung mit sehr hoher Frequenz beschrieben. In Von Gutfeld und Melcher, "20-MHz Acoustic Waves from Pulsed Thermoelastic Expansions of Constrained Surfaces", Applied Physics Letters, Vol. 30, No. 6, Seite 257, 15. März 1977, ist die Erzeugung von Schallwellen in einem Material durch Fokussierung eines Pulslaserstrahls auf das Material und Anwendung eines piezoelektrischen Detektors beschrieben. Diese arbeiten jedoch bei sehr hohen Frequenzen von 20 MHz, um Schallwellen zu erzeugen. Die Oberfläche ist gezwungen, das Signal zu verstärken. In der US-PS 4 137 991 (Melcher et al) vom 6. Februar 1979 ist die Erzeugung und Anwendung von Schallwellen zur Durchführung von herkömmlicher Ultraschalldetektion beschrieben. Die US-PS

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4 028 933 (Lemons et al) vom 14. Juni 1977 beschreibt ein akustisches Mikroskop, das nach dem Ultraschallprinzip bei sehr hohen Schallfrequenzen arbeitet.. In Kessler, "Review of Progress and Applications in Acoustic Microscopy", J. Acoust. Soc. Am., 55 (5), Seite 909, Mai 1974, sind verschiedene Verfahren der akustischen Mikroskopie beschrieben. In Wickramasliighe et al, "Photoacoustics on a Microscopic Scale", veröffentlicht in Appl. Phys. Letters, 33 (11), 1. Dezember 1978, ist die Abwandlung eines Transmissionsakustik-Mikroskops durch Ersetzen einer eingangsseitigen Schallinse durch ein optisches Gegenstück, nämlich einen fokussierten Pulslaser, beschrieben. Dieses System arbeitet auf einer sehr hohen festen Frequenz von 840 MHz. Diese Druckschriften zeigen, wie Ultraschall-Sichtbarmachung unter der Oberfläche durch die Wechselwirkung von Ultraschallwellen mit unter der Oberflächen vorhandenen Eigenschaften in einer Probe durchgeführt werden können.

In Wong et al, "Surface and Subsurface Structure of Solids by Laser Photoacoustic Spectroscopy", Applied Physics Letters, 32 (9), 1. Mai 1978, Seite 538, ist eine Vorstudie der fotoakustischen Mikroskopie unter Anwendung eines Gas-Mikrophon-Detektor systems beschrieben. Diese Druckschrift lehrt lediglich die Sichtbarmachung von Oberflächenphänomenen unter Anwendung der Gas-Mikrophon-Fotoakustik.

Im Stand der Technik wurden bisher die physikalischen Mechanismen und Möglichkeiten der fotoakustischen Mikroskopie nicht voll ausgenutzt. Der Stand der Technik geht nicht bis zu dem zugrundeliegenden Wirkungsprinzip und lehrt nicht, wie die thermoakustische Mikroskopie mit fotoakustischen Mitteln durchzuführen ist, und lehrt auch nicht die vielen Anwendungen der fotoakustischen oder thermoakustischen Mikroskopie.

In vielen Industriezweigen, insbesondere in der Halbleiterindustrie, besteht ein hohes Bedürfnis für die schnelle Abtastung eines Feststoffkörpers im mikroskopischen Maßstab, um

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Eigenschaften unterhalb der Oberfläche zerstörungsfrei zu ermitteln. Die Information über Strukturen unter der Oberfläche, über Materialveränderungen und über konkurrierende Energie- erhaltungsprozesse wird benötigt, und insbesondere wäre die Gewinnung von Tiefenprofilen in verschiedenen ausgewählten Tiefen sehr vorteilhaft für die Qualitätsüberprüfung von Vor^- richtungen während der ersten Herstellungsstufen. Die derzeitigen optischen Techniken liefern Informationen über die Obe.r-· flächeneigenschaften. Im Gegensatz zu der fotoakustischen Mir'.: kröskopie liefert die fotoakustischen Spektroskopie Informa-—" tionen in Abhängigkeit von der Wellenlänge, wenn die Wellenlänge der Quelle verändert wird, d.h. fotoakustisch erzeugte Spektren, und zwar nur für das Aggregatmaterial, und nicht in mikroskopischem Maßstab.

Aufgabe der Erfindung ist die Ermöglichung von zerstörungsfreien Messungen bezüglich Oberflächen- und Unteroberflächen-Eigenschaf ten eines Feststoffkörpers im mikroskopischen Maßstab.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, zerstörungsfreie Messungen bezüglich der Oberflächen- und Unteroberflächen-Eigenschaften eines Feststoffkörpers im mikroskopischen Maßstab durch die Wechselwirkung von fotoakustisch erzeugten thermischen Wellen mit diesen Eigenschaften zu ermöglichen.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erstellung von Tiefenprofilen eines Feststoffkörpers in verschiedenen ausgewählten Tiefen und in mikroskopischem Maßstab zu schaffen.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, das Vorhandensein von fluoreszierenden Stoffen, fotochemischen Vorgängen und Fotoeffekt-Vorgängen in einem Feststoffkörper im mikroskopischen Maßstab zu ermöglichen und diesbezügliche Messungen auszuführen.

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Offenbarung der Erfindung

Die Erfiriäurig schafft ein Verfahren und" eine Vb'frictitung fbtbafcustischen "Mikroskopie,' insbesondere thermöaküstisehen " Mikroskopie, um einen Stoff In Form eines Weiäimensionalen "Feldes' aus mikräsköpisahen Punkten' abzutasten und eine Viel- : falt Von Oberf''lachen- und Ühterbterf'iäclien-infbrmationen durch die Wechselwirkung von fotöaküstisch erzeugten thermischen Wellen mit mikroskopischen Eigenschaften''ϊη'dein'Stoff zu ge-;..; winnen. Ein fotoakustisches Signal wird an einer mikroskopi--" schenStelie in dem Stoff durch¹ FÖlcüssiereri¹ von Ihtehsitätsimoduliertem Iiicht auf den''S1:off^J1erzeug^'l^J~l&steri«B." von sichtbarem Licht kann auch eine Strätö^^ des ί

elektromagnetischen Spektrums oder irgendeine Wärmequelle, z.B. ein Teilchenstrahl, verwendet werden. Das einfallende fokussierte Licht wiird In. 'einem"' mi^rö"s%opl'schen^J Bereich des Stoffes absorbiert und bewirkt^ⁱeihe^i;"lokal^sie^rte⁰"Erhitzung, die ein fotoakustisches ^

Signal ergibt sich aus zwei''Eriergieäl^abWyorgänge'n'/''hämlich dem thermoakustischen Prozeß, der bei "relativ'niedrigen Modulationsfreqüenzen überwiegt, nämlich' von"'"Ί hz bis To MHz, und elastoakustischen Prozessen, die bei höhen" Mödulätiönsfrequenzen dominieren, im allgemeinen über 10^JiMHz.^ä Für α!*β~ häufigsten Bedingungen ist das geeignetste Verfahren für die Ausführung der fotoakustischen Mikroskopie fürdie meisten Anwendungen die Verwendung von relativ niedrigen FrequenzienV bei^Jdenen der thermoakustische Prozeß überwiegt. "

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Wenn der thermoakustische Prozeß uberwregt, erzeugt; die lokalisierte Erhitzung thermische Wellen\ die⁵"sich mit 'der thermischen Diffusionslänge bzw. thermi"schien We^i'ienlänge^J ausbreiten, bevor sie wirksam gedämpft" Werdend Diese'^thefmiscneh Wellen erzeugen ferner Züg-Drück-Wellen bzw'^^'ela'siäscKe^Wei'ien, die eine wesentlich größere Wellenlänge'und^ einen wesentlich grösseren Bereich aufweisen. Wenn der elästoakustiscne'Prozeß do-

miniert, haben die elastischen Wellen Wellenlängen, die vergleichbar mit den Wellenlängen der thermischen Wellen oder noch kürzer sind. Die Energie aus einem Bereich/ der durch das absorbierte Licht bzw. die einfallende Energie direkt erhitzt wird, wird besser in elastische Wellen umgewandelt als bei einer ersten Umwandlung in thermische Wellen und dann erst in elastische Wellen.

Die Probe wird als zweidimensionales Feld aus mikroskopischen--Punkten abgetastet, indem die Probe gemäß einem Raster an den" feststehenden fokussierten Lichtstrahl vorbeigeführt wird oder der Strahl über die feststehende Probe abgelenkt wird. Das fotoakustische Signal wird durch einen piezoelektrischen Wandler erfaßt, der mit der Probe in Berührung ist oder durch ein Fluid an diese angekoppelt ist. Der piezoelektrische Wandler erfaßt die Schallwellen, die von den thermischen Wellen erzeugt werden, wenn im thermpakustischen Bereich gearbeitet wird. Das Signal wird in einen phasenempfindlichen eingerasteten Verstärker eingespeist, der auf die Modulationsfrequenz abgestimmt ist. Das Signal aus dem eingerasteten Verstärker wird dann mittels eines geeigneten Datenverarbeitungssystems analysiert.

Das fotoakustische Mikroskop liefert Information im mikroskopischen Maßstab und über jegliche Oberflächen- oder Unteroberflächen-Eigenschaften oder Strukturen, welche die Absorption von intensitätsmoduliertem Licht an der fokussierten Stelle in dem Material beeinflussen. Die Oberflächen- und Unteroberflächen-Eigenschaften der Probe werden ferner durch die Wechselwirkung der fotoakustisch erzeugten thermischen Wellen mit diesen Eigenschaften erfaßt. Durch Verändern der Wellenlänge des einfallenden Lichtes kann ein mikroskopisches Absorptionsspektrum des Stoffes erhalten werden. Das fotoakustische Mikro skop liefert ferner Informationen über das Vorhandensein von konkurrierenden Energieabgabemoden, z.B. Fluoreszenz, fotochemische und Fotoeffekt-Prozesse, welche das erzeugte fotoaku-

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stische Signal verändern, in mikroskopischem Maßstab.

Die fotoakustische Mikroskopie liefert ferner ein Tiefenprofil des Materials in mikroskopischem Maßstab. Das Material kann in verschiedenen ausgewählten Tiefen abgetastet werden. Tiefenprofile können auf drei verschiedene Weisen erstellt werden. Das bevorzugte Verfahren besteht darin, die Modulationsfrequenz des einfallenden Lichtes zu verändern, wodurch die Eindringtiefe der thermischen Wellen in der Probe und folglich die Tiefe, in der das fotoakustische Signal erzeugt wird, verändert werden. Da im allgemeinen eine Auflösung von höchstens ein Mikron gewünscht wird, wird dieses Verfahren gewöhnlich bei Frequenzen unterhalb 10 MHz ausgeführt. Die Erstellung von Tiefenprofilen kann auch durch Verändern der Wellenlänge des einfallenden Lichtes oder Analysieren der Phase des fotoakustischen Signals erfolgen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Systems zur Durchführung der fotoakustischen Mikroskopie einer Feststoff körperprobe unter Anwendung des piezoelektrischen Verfahrens; und

Fig. 2 ein Flußdiagramm des physikalischen Prozesses, der bei der fotoakustischen Mikroskopie auftritt.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Der fotoakustische Effekt tritt auf, wenn intensitätsmoduliertes Licht oder andere Formen von intensitätsmodulierter Energie,

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z.B. elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlen, auf einer Probe auftreffen. Wenn eine lokalisierte Erhitzung in einem Material auftritt, wird die Wärmeenergie auf das umge-. bende Material durch zwei verschiedene Mechanismen übertragen. Erstens tritt eine Wärmediffusion von der ursprünglich erhitzten Stelle zu dem umgebenden Bereich durch Wärmeleitung und Diffusion auf; es wird also eine Wärmewelle bzw. thermische "" Welle erzeugt. Die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung auf . diesem Wege wird durch die thermische Diffusionskonstante K bestimmt. Wenn die Erhitzung periodisch mit einer Frequenz c«jauftritt, ist der Abstand einer merklichen übertragung eines periodischen Wärmesignals bzw. einer thermischen Welle durch das Medium durch die thermische Wellenlänge bzw. die thermi-

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sehe Diffusionslänge μ. = (2Κ/ω) 'gegeben. Die Energieübertragung durch thermische Diffusion ist ein von Verlusten begleiteter Prozeß, bei dem einzelne Atome, Ionen oder Moleküle innerhalb des Materials in nicht-kooperativer Weise zu Schwingungen erregt werden. Diese Art der Energieüberführung wird als thermoakustischer Mode bezeichnet. Die thermische Welle erzeugt eine Druckwelle bzw. Schallwelle in der Probe, welche der Träger der Information in der thermischen Welle ist.

Die zweite Art von Energieüberführung ist diejenige durch Kopplung der örtlichen Wärmeenergie an die kooperativen Schwingungensmoden des Materials selbst, d.h. durch Kopplung an das Phononenspektrum der Probe. Die elastoakustische Kopplung kann sowohl an der Front auftreten, wo die Probe durch die einfallende Energie erhitzt wird, als auch ausgehend von den Bereichen, die durch den Durchgang der thermischen Wellen erhitzt werden. Hier handelt es sich um elastoakustische Prozesse, die im allgemeinen nicht mit Energieverlusten behaftet sind. Die Geschwindigkeit der Energieüberführung wird durch die Schallgeschwindigkeit in dem Material bestimmt, und der Abstand einer merklichen Energieüberführung wird allein durch die Abmessungen der Probe oder andere Grenzbedingungen eingeschränkt, mit Ausnahme von sehr hohen Frequenzen, bei denen die Ultraschalldämpfung sehr hoch ist.

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Die physikalischen Prozesse, die bei der fotoakustischen Mikroskopie eine Rolle spielen, sind in dem Flußdiagramm der Fig* gezeigt. Die Absorption der in ein Medium einfallenden Energie führt zur Erzeugung und Ausbreitung, von thermischen Wellen in dem Material, die wiederum zur Erzeugung und Ausbreitung vorelastischen Wellen in dem Material führen. Alle drei Prozesse können mikroskopische Information über das Material liefern. Nur das fotoakustische bzw. thermoakustische Mikroskop nach der vorliegenden Erfindung nutzt jedoch die fotoakustisch er-. zeugten thermischen Wellen aus, um mikroskopische Information über das Material zu liefern.

Der Prozeß der Absorption von einfallender Energie (Prozeß A) liefert Informationen über die örtlichen Absorptions- oder Reflexions/Streu-Eigenschaften eines Materials. Bei Verwendung einer Lichtquelle wird der Absorptionsprozeß ausgenutzt, um Informationen in einem optischen Mikroskop zu liefern. Bei Verwendung eines Elektronen- oder Teilchenstrahls liefert dieser Prozeß eine mikroskopische Sichtbarmachung in einem Elektronen- oder Teilchenmikroskop. Die Auflösung des Absorptionsprozesses wird letztlich durch die Photonen- oder Elektronenwellenlänge bestimmt. Für Licht beträgt die Grenzauflösung etwa 1 Mikron. Für Elektronen beträgt sie etwa 0,01 Mikron. Die Tiefe der Sichtbarmachung wird durch die Eindringtiefe der Photonen bzw. Eindring- oder Ausweichtiefe der Elektronen bestimmt.

Der Prozeß der Erzeugung und Ausbreitung von elastischen Wellen (Prozeß C) liefert Information über die örtlichen elastischen Eigenschaften eines Materials. Dieser Prozeß wird sowohl für die Oberflächen- als auch ünteroberflächen-Sichtbarmachung in herkömmlichen Ultraschall-Übertragungstechniken und in der akustischen Mikroskopie ausgenutzt. Die Grenzauflösung wird durch die Wellenlänge der Schallwellen bestimmt. Für die meisten Feststoffe beträgt die Grenzauflösung 5 bis 10 Mikron,

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und zwar selbst bei einem akustischen Mikroskop, das bei 1000 MHz arbeitet. Bessere Auflösungen können nur schwer erreicht werden, weil eine sehr starke akustische Dämpfung bei diesen Frequenzen auftritt. Da die Sichtbarmachung durch Ultraschalleitung und die akustische Mikroskopie im allgemeinen im akustischen Übertragungsbereich durchgeführt werden, ist die Eindringtiefe einfach gleich der Dicke der Probe selbst. Die Erstellung von Tiefenprofilen, d.h. die Sichtbar-., machung an ausgewählten unterschiedlichen Tiefen des Materials., wird im allgemeinen nicht im Ultraschallbereich oder in einem akustischen Mikroskop durchgeführt.

Der Prozeß der Erzeugung und Ausbreitung von thermischen Wellen (Prozeß B) ist kennzeichnend für die fotoakustische oder thermoakustische Mikroskopie gemäß der Erfindung. Er tritt bei herkömmlicher optischer oder Elektronenmikroskopie und bei Ultraschall- oder akustischer Mikroskopie nicht auf. Dieser Prozeß liefert Information über die örtlichen thermischen Eigenschaften, z.B. das thermische Diffusionsvermögen und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Probe. Die Sichtbarmachung ergibt sich aus der Wechselwirkung der thermischen Wellen mit Eigenschaften der Probe, die sich durch verschiedene thermische Eigenschaften auszeichnen. Der Prozeß tritt nur bei der erfindungsgemäßen fotoakustischen Mikroskopie auf. Bei herkömmlichen optischen oder akustischen Mikroskopen tritt er nicht auf. Die Grenzauflösung ist durch die Wellenlänge der thermischen Wellen bestimmt. Diese Wellenlänge ist die thermische

-1/2 Diffusionslänge, und sie ändert sich mit f ' , worin f (f =o>/2T) die Modulationsfrequenz der einfallenden Energie ist, d.h. die Frequenz, mit der die thermische Welle erzeugt wird. Für die meisten Feststoffe ist die thermische Wellenlänge ungefähr gleich 100 Mikron, bei f = 100 Hz, und ungefähr gleich 1 Mikron bei f = 1 MHz.

Thermische Wellen haben eine recht starke Dämpfung. Die Eindringtiefe ist gleich der thermischen Diffusionslänge, d.h.

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die Eindringtiefe einer Welle ist gleich ihrer Wellenlänge. Die direkte Erfassung von thermischen Wellen, würde daher die Untersuchung auf sehr dünne Proben beschränken. In der Foto-? akustik werden jedoch die thermischen Wellen nicht direkt erfaßt.. Sie werden vielmehr indirekt durch Druck-Spannungs-Schwankungen bzw. elastische Wellen erfaßt, die wiederum durch die thermischen Wellen erzeugt werden. In einem fotoakustischen Gas-Mikrophon-System erzeugt die periodische Erwärmung der Probe thermische Wellen in dem Gas in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Festkörper und dem Gas, und diese erzeugen wiederum elastische Wellen bzw. Schallwellen in dem Gas, die durch ein Mikrophon erfaßt werden. In einem piezoelektrischen fotoakustischen System erzeugt die periodische Erwärmung der Probe thermische Wellen in der Probe, die wiederum elastische Wellen in der Probe erzeugen, welche von dem piezoelektrischen Wandler erfaßt werden.

Sowohl in einem Gas-Mikrophon-System als auch in piezoelektrischen Systemen wandern die thermischen Wellen nur über eine relativ kurze Strecke und werden nicht direkt erfaßt. Es werden vielmehr die resultierenden elastischen bzw. akustischen Wellen mit ihren wesentlich größeren Reichweiten erfaßt. Die elastischen Wellen dienen lediglich als Träger der Information, die aus der Wechselwirkung der fotoakustisch erzeugten thermischen Wellen mit der Probe abgeleitet werden. Nur bei sehr hohen Frequenzen, bei denen die elastischen bzw. akustischen Wellenlängen kurz genug werden, würde die Wechselwirkung der elastischen Wellen mit dem Medium, in dem sie sich ausbreiten, zusätzliche Information über die Innenstruktur des übertragenden Mediums liefern.

Im allgemeinen kann ein fotoakustisches Mikroskop, bei dem ein piezoelektrischer Detektor verwendet wird, Informationen über die Probe aufgrund aller drei Prozesse, die in Fig. 2 gezeigt sind, liefern. Die Information über die Absorptions-

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parameter (bzw. Reflexions/Streu-Parameter) der Probe, die Information über thermische Parameter der Probe und die Information über die elastischen Eigenschaften derselben können gewonnen werden. Die mikroskopische Sichtbarmachung aufgrund der Absorptionsparameter und der elastischen Parameter kann jedoch durch andere, herkömmliche Mittel erfolgen. Das besondere Merkmal des fotoakustischen Mikroskops nach der Erfindung liegt in der Befähigung zur Ausführung einer Oberflächen- und Unteroberflächen-Sichtbarmachung aufgrund von thermoakustischen oder thermischen Wellen. Durch Anwendung dieser thermischen Wellen kann ferner die Erstellung von Tiefenprofilen durch Veränderung der Modulationsfrequenz ermöglicht werden.

Um die Informationsanalyse möglichst wenig kompliziert zu gestalten, wird das fotoakustische Mikroskop im allgemeinen bei einem stark absorbierenden Material angewandt, das an der Oberfläche gleichmäßige oder bekannte Absorptionseigenschaften aufweist. Das fotoakustische Mikroskop arbeitet dabei bei Frequenzen unterhalb 100 MHz, vorzugsweise unterhalb 10 MHz, so daß die elastischen Wellen ausreichend große Wellenlängen aufweisen, damit sie keine neuen Informationen beisteuern, sondern lediglich als Träger für die Information dienen, die aus den fotoakustisch erzeugten thermischen Wellen abgeleitet wird. Es werden Frequenzen von weniger als 10 MHz benötigt, um für die thermischen Wellen eine Auflösung von 1 Mikron oder weniger in den meisten Feststoffen zu erreichen. Bei diesen Frequenzen ist die Wellenlänge der elastischen Wellen größer als 0,1 cm. Somit sind also die thermischen Wellen empfindlich für die gesamte mikroskopische Innenstruktur der Probe, während die elastischen Wellen für alle Strukturen unempfindlich sind, die nicht sehr groß sind und Abmessungen von mehr als 0,1 cm aufweisen. Solche Strukturen sind natürlich in der Mikroskopie von geringem Interesse.

Ein einfacher fotoakustischer Mikroskopaufbau, der in Flg. 1 dargestellt ist, beruht auf der Anwendung eines piezoelektri-

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sehen Verfahrens zur fotoakustischen Detektion, um mikroskopische Bereiche einer Feststoffkörperprobe 10 , z.B. einer Si]iciumscheibe, zu untersuchen. Als Energiequelle wird ein Lichtstrahl 12 bevorzugt, z.B. ein Laserstrahl aus einem Laser 14. Der Laser 14 ist im allgemeinen ein kontinuierlicher Laser. In der Probe können jedoch fotoakustische Signale durch Absorption irgendeiner anderen Form elektromagnetischer Strahlung als Licht erzeugt werden, z.B. durch Hochfrequenzwellen, Mikrowellen, Infrarotlicht, Ultraviolettlicht, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen usw. Fotoakustische Signale können ferner durch thermische Anregungen erzeugt werden, die sich aus der Wechselwirkung der Probe mit Teilchenstrahlen ergeben, z.B. Strahlen aus Elektronen, Protonen, Neutronen, Ionen, Atomen oder Molekülen. Ein fotoakustisches Mikroskop, bei dem ein Elektronenstrahl zur Anwendung gelangt, kann insbesondere als Zusatzausrüstung eines herkömmlichen Rasterelektronenmikroskops verwendet werden. Dadurch wird die Sichtbarmachung von Materialeigenschaften unterhalb der Oberfläche unter Anwendung eines modulierten Elektronenstrahls bei Tiefen ermöglicht, die beträchtlich größer sind als die Eindring- oder Ausweichtiefe von Elektronen, welche die Grenze bei herkömmlichen Elektronenmikroskopen darstellt.

Der Lichtstrahl 12 wird durch ein Intensitäts-Modulatorsystem 16 intensitätsmoduliert, z.B. durch einen akustooptischen oder elektroopischen Modulator. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird der Lichtstrahl in einigen Fällen wellenlängenmoduliert, um ein fotoakustisches Signal zu erzeugen. Ein Teilchenstrahl würde in gleicher Weise intensitätsmoduliert, um eine periodische Erhitzung zu verursachen. Der intensitätsmodulierte Strahl 18 wird dann von einem Spiegel 20 abgelenkt und durch ein Linsensystem 22 auf die Probe fokussiert. Die einfallende optische Strahlung kann leicht auf der Probe zu einem Fleck 24, der die Größe von nur 1 Mikron hat, fokussiert werden, so daß ein mikroskopischer Bereich der Probe untersucht wird. Ein Teilchenstrahl kann in gleicher Weise zu

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einem Fleck fokussiert werden. Da ein Feststoffkörper untersucht wird/ ist das piezoelektrische Detektionsverfahren am besten geeignet. Das piezoelektrische. Verfahren ist unempfindlich gegenüber von der Luft übertragene Störsignale, so daß eine akustisch abgeschlossene Kammer im allgemeinen nicht erforderlich ist und höhere Frequenzen möglich sind. Ein piezoelektrischer Kristall 26 ist in direkter Berührung mit der Probe 10 angeordnet. Der piezoelektrische Kristall kann an die Probe auch über ein geeignetes Fluid angekoppelt sein. Das Signal aus dem piezoelektrischen Detektor kann verstärke■■· werden, indem bei der Resonanzfrequenz des Detektors oder des Detektor-Probe-Systems gearbeitet wird.

Eine vollständige mikroskopische Abtastung der Probe erfolgt durch rasterförmige Abtastung der Probe, die über den feststehenden fokussierten Lichtstrahl geführt wird, und zwar mittels eines elektromechanischen x-y-Rastersystems 27. Stattdessen kann auch die Probe ortsfest bleiben, und der Strahl wird dann über die Probe durch einen Ablenkmechanismus abgelenkt, z.B. durch ein optoakustisches x-y-Ablenksystern. Bei Anwendungen für Massenherstellung wird nicht jeder Punkt der Probe untersucht, vielmehr wird eine Anzahl von Punkten auf der Basis einer statistischen Probenuntersuchung abgetastet.

Für die meisten Anwendungen ist bei der Durchführung der fotoakustischen Mikroskopie die Anwendung von relativ niedrigen Frequenzen am besten geeignet, bei denen der thermoakustische Prozeß überwiegt, im Gegensatz zu hohen Frequenzen, bei denen der elastoakutische Prozeß überwiegt. Dies beruht darauf, daß eine Auflösung der thermischen Welle von einem Mikron in den meisten Werkstoffen für Frequenzen unterhalb 10 MHz möglich ist.

Das an jedem Punkt der Probe erzeugte fotoakustische Signal wird durch den piezoelektrischen Wandler 26 erfaßt. Das Signal

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aus dem piezoelektrischen Kristall wird über einen Vorverstärker 28 einem phasenempfindlichen verriegelten. Verstärker 30 zugeführt, der auf die Modulationsfrequenz abgestimmt ist. Das Signal aus diesem verriegelten bzw- Phaseneinrastverstärker 3 0 wird dann einem geeigneten Speicher-, Verarbeitungsund Anzeigesystem 32 zugeführt. Dieses System steuert auch das Rastersystem 27 oder das Strahl-Ablenksystem.

Die fotoakustische Mikroskopie (PAM) ist ein sehr wandlungsfähiges Verfahren zur Abtastung einer Feststoffkörperprobe, z.B. einer Halbleiterscheibe, welches viele unterschiedliche Eigenschaften der Probe offenbart. Die fotoakustische Mikroskopie liefert visuelle Information im mikroskopischen Maßstab. Das Licht wird auf eine mikroskopisch kleine Stelle fokussiert. Das fotoakustische Signal steht in direkter Beziehung zu der Menge des an dem fokussierten Fleck absorbierten Lichtes. Änderungen des Materials oder seiner geometrischen Struktur verändern also die Absorptions- oder Reflexionseigenschaften an dieser Stelle und somit das fotoakustische Signal. Eine Abtastung der Probe ergibt ein Bild, das demjenigen gleicht, welches mit einem herkömmlichen optischen Mikroskop erhalten wird.

Die fotoakustische Mikroskopie liefert optische Absorptionsdaten im mikroskopischen Maßstab. Durch Verändern der Wellenlänge des einfallenden fokussierten Lichtstrahls können die optischen Absorptionseigenschaften des Materials untersucht werden. Auf diese Weise kann ein optisches Absorptionsspektrum im mikroskopischen Maßstab erhalten werden.

Die fotoakustische Mikroskopie ermöglicht die Sichtbarmachung von Eigenschaften unterhalb der Oberfläche durch die Wechselwirkung der fotoakustisch erzeugten thermischen Wellen mit denjenigen charakteristischen Stellen der Probe, die verschiedene thermische Eigenschaften haben. Es können charakteristische Gebiete aufgelöst werden, die eine Größe von nur 1 Mikron

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aufweisen, und zwar durch Anwendung von Modulationsfrequenzen in der Größenordnung von 1 bis 10 MHz.

Die fotoakustische Mikroskopie liefert Information über die Energieabgabeprozesse im mikroskopischen Maßstab. Da das fotoakustische Signal durch Umwandlung der optischen Energieniveaus in lokalisierte Wärme erzeugt wird, beeinflussen konkurrierende Energieabgabevorgänge, z.B. Fluoreszenz, fotochemische und fotoelektrische Effekte das fotoakustische Signal. Das Vorhandensein von fluoreszierenden Stoffen, z.B. bestimmte Dotierungsmittel oder Verunreinigungen, kann an jeder mikroskopisch kleinen Stelle überprüft werden, da das Vorhandensein von Fluoreszenzerscheinungen das fotoakustische Signal schwächt. Zusätzlich kann der fluoreszierende Stoff identifiziert werden, indem die Wellenlänge des einfallenden Lichtes über das Absorptionsband bzw. die Absorptionsbänder dieses Stoffes durchgestimmt wird. Fotochemische Prozesse können durch eine Veränderung des fotoakustischen Signals erfaßt und identifiziert werden, indem die Wellenlänge des einfallenden Lichtes verändert wird. In gleicher Weise beeinflußt das Vorhandensein von Fotospannungseffekten das fotoakustische Signal. Dadurch werden besondere Anwendungsmöglichkeiten für die Prüfung von Halbleitervorrichtungen eröffnet. Bestimmte Fehlstellen, die bei der Herstellung der Vorrichtung auftreten, z.B. das Vorhandensein von elektrischen Kurzschlüssen oder Streuverlusten, verändern das fotoakustische Signal und können auf diese Weise erkenntlich gemacht werden. Dies kann bereits im frühen Stadium der Herstellung auf zerstörungsfreie Weise erfolgen. Eine detaillierte Untersuchung mikroskopischer Fotoeffektbereiche kann erfolgen, indem die Zeitabhängigkeit des fotoakustischen Signals untersucht wird. Diese Zeitabhängigkeit kann durch Analysieren der Phase des von dem piezoelektrischen Wandler erfaßten fotoakustischen Signals in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz bestimmt werden. Die Zeitabhängigkeit kann auch durch Aufzeichnung der zeitlichen Entwicklung des foto-

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akustischen Signals, das durch einen Impuls einfallenden Lichtes erzeugt wird, bestimmt werden. In diesem. Fälle werden dann der kontinuierliche Laser und der Modulator durch einen Pult-laser ersetzt, und der phasenverriegelte Verstärker wird durch ein schnelles Speicheroszilloskop oder einen Analysator für kurzzeitige Signale ersetzt.

Von großer Bedeutung ist/ daß die fotoakustische Mikroskopie die Erstellung von Tiefenprofilen der Probe in mikroskopischem Maßstab ermöglicht. Die Erstellung von Tiefenprofilen kann auf drei Weisen erfolgen. Zunächst kann durch Verändern der Wellenlänge des einfallenden Lichtes die optische Eindringtiefe verändert werden. In gleicher Weise kann die Energie des einfallenden Teilchenstrahls verändert werden. Als zweite Möglichkeit kann durch Ändern der Frequenz, mit der die Lichtintensität oder der Teilchenstrahl moduliert wird, die Tiefe verändert werden, aus der die fotoakustische Information gewonnen wird, und zwar durch Änderungen der thermischen Wellenlänge. Dies

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ergibt sich aus der U ' -Abhängigkeit der thermischen Diffusionslänge von der Modulationsfrequenz. Für den Fall, daß die optische Absorptionslänge gering ist, z.B. kürzer als 10 cm, kann das fotoakustische Signal in einem typischen Stoff so beschaffen sein, daß es aus einer Tiefe von nur 0,1 Mikron bei einer Frequenz von 100 MHz stammt, jedoch aus einer Tiefe von 0,1 cm bei einer Frequenz von 1 Hz. Als dritte Möglichkeit wird die Phase des fotoakustischen Signals analysiert, um zu bestimmten, ob das Signal von einer Stelle an der Oberfläche oder unterhalb derselben ausgeht.

Eine wichtige Anwendung für die Erstellung von Tiefenprofilen, die durch das fotoakustische Mikroskop eröffnet wird, ist die Messung von Dünnschichtdicken im lokalisierten mikroskopischen Maßstab. Solche Messungen können ausgeführt werden, indem die Amplitude und/oder Phase des fotoakustischen Signals in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz untersucht

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wird. Diese Messungen können auch ausgeführt werden, indem die Zeitabhängigkeit des fotoakustischen Signals untersucht wird, das durch Läserlichtpulse oder Pulse aus Teilchenstrallen erzeugt wird.

Die Erfindung ist vorstehend unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsbeispiele beschrieben; für den Fachmann ergeben sich jedoch zahlreiche Abwandlungen Und andere Ausführungsformen aufgrund der vorstehenden Offenbarung. Sämtliche Aus·* führungsformen und Abwandlungen werden von dem Erfindungsgedanken und den beigefügten Ansprüchen erfaßt.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren der fotoakustischen Mikroskopie zur Untersuchung von Eigenschaften eines Materials an der Oberfläche und
unterhalt) der Oberfläche in mikroskopischem Maßstab, gekennzeichnet durch:

Verursachung einer periodischen lokalisierten Erwärmung an einer mikroskopischen Stelle des Materials, wodurch in diesem Material ein thermoakustisches Signal erzeugt wird;

Detektion des in dem Material erzeugten thermoakustischen
Signals;

Abtasten des Materials in Form eines zweidimensionalen Feldes von mikroskopischen Stellen; und

Verarbeiten der thermoakustischen Signale.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmequelle eine elektromagnetische Strahlung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung Licht ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle ein Teilchenstrahl ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Erwärmung des Materials durch Intensitätsmodulation der Wärmequelle verursacht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz weniger als 10 MHz beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Erwärmung durch Wellenlängerimodulation der elektrischen Strahlung erfolgt.
8. Fotoakustisches Mikroskop zum Messen von Eigenschaften eines Materials an der Oberfläche und unterhalb der Oberfläche im mikroskopischen Maßstab, gekennze ichnet durch:

Eine Erwärmungseinrichtung, die eine periodische lokalisierte Erwärmung an einer mikroskopischen Stelle in dem Material verursacht, wodurch in dem Material ein thermoakustisches Signal erzeugt wird;

Detektionsmittel zum Erfassen des in dem Material erzeugten thermoakustischen Signals;

Abtastmittel zum Abtasten des Materials in Form eines zweidimensionalen Feldes aus mikroskopischen Flecken; und

eine Verarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten der thermoakustischen Signale.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungseinrichtung eine Quelle elektromagnetischer Strahlung ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle elektromagnetischer Strahlung ein kontinuierlicher Laser ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungseinrichtung ein Teilchenstrahl ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Erwärmung des Materials durch Intensitätsmodulation der Erwärmungseinrichtung durchgeführt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz niedriger als 10 MHz ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Erwärmung des Materials durch Wellenlängenmodulation der Quelle elektromagnetischer Strahlung durchgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung von Tiefenprofilen des Materials durch aufeinanderfolgende Abtastung desselben in verschiedenen ausgewählten Tiefen die Wellenlänge des Lichtes geändert und auf verschiedene ausgewählte Wellenlängen eingestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung von Tiefenprofilen des Materials durch aufeinanderfolgende Abtastungen desselben in verschiedenen ausgewählten Tiefen die Modulationsfrequenz bei aufeinanderfolgenden Abtastvorgängen selektiv verändert wird.

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17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung von Tiefenprofilen des Materials die Phase des fotoakustischen Signals analysiert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung von Tiefenprofilen des Materials durch aufeinanderfolgende Abtastung desselben in verschiedenen ausgewählr ten Tiefen die Energie des Teilchenstrahls verändert und auf verschiedene ausgewählte Energien eingestellt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Vorhandenseins von fluoreszierenden Stoffen, fotochemischen Prozessen und Fotospannungsprozessen im mikroskopischen Maßstab eine Änderung des thermoakustischen Signals erfaßt wird, das an jeder mikroskopischen Stelle des Materials erzeugt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Vorhandenseins von fluoreszierenden Stoffen, fotochemischen Prozessen und Fotospannungsprozessen eine Änderung des thermoakustischen Signals ermittelt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zum Identifizieren des fluoreszierenden Stoffes die Wellenlänge der Lichtquelle verändert wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zum Identifizieren des lokalisierten Auftretens von fotochemischen oder Fotospannungsprozessen die Wellenlänge der Lichtquelle verändert wird.
23. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zum Untersuchen des lokalisierten Auftretens von fotochemischen oder Fotospannungsprozessen die Zeitabhängigkeit des thermoakustischen Signals untersucht wird.

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24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch, gekennzeichnet, daß d:.e Zeitabhäncigkeit bestimmt wird, indem das thermoakustische Signal gemessen wird, das durch einen Impuls einfallenden Lichtes in Abhängigkeit von der Zeit abgegeben wird.
25. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Untersuchen des lokalisierten Auftretens von fotochemischen und/oder Fotospannungsprozessen die Zeitabhängigkeit des thermoakustischen Signals untersucht wird, indem die Amplitude und/oder Phase des thermoakustischen Signals in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz gemessen wird.
26. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Dicke von Dünnschichten die Amplitude und/oder Phase des thermoakustischen Signals in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz untersucht wird.
27. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Dicke von Dünnschichten die Zeitabhängigkeit des thermoakustischen Signals untersucht wird, das durch eine gepulste Wärmequelle erzeugt wird.

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Geänderte Ansprüche

(vom Internationalen Büro am 21. April 1980 (21.04.1980) empfangen).

1. Verfahren der Mikroskopie mit thermoakustischen oder thermischen Wellen zur Untersuchung von Eigenschaften eines Materials an der Oberfläche oder unterhalb der Oberfläche in mikroskopischem Maßstab, dadurch gekennzeichnet/

daß eine periodische lokalisierte Erwärmung an einer mikroskopischen Stelle in dem Material verursacht wird, um thermische Wellen zu erzeugen, die mit mikroskopischen charakteristischen Stellen in dem Material in Wechselwirkung treten und eine Abbildung dieser charakteristischen Stellen durch thermische Wellen ergeben, wobei die thermischen Wellen Schallwellen erzeugen, deren Wellenlänge in dem Material größer ist und die sich in dem Material ausbreiten;

daß die in dem Material erzeugten Schallwellen erfaßt werden und Detektorsignale erzeugen;

daß das Material in Form eines zweidimensionalen Feldes von mikroskopischen Stellen abgetastet wird; und

daß die Detektorsignale verarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische lokalisierte Erwärmung durch die Absorption von Energie aus einer Quelle elektromagnetischer Strahlung erfolgt, die einen Lichtstrahl oder Laserstrahl enthält, oder durch einen Teilchenstrahl.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische lokalisierte Erwärmung des Materials

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durch Intensitätsmodulation einer Wärmequelle ausgeführt wird.

4. Mit thermoakustischen oder thermischen Wellen arbeitendes Mikroskop zum Messen von Eigenschaften eines Materials an der Oberfläche oder unterhalb der Oberfläche in mikroskopischem Maßstab, gekennzeichnet durch:

Eine Heizeinrichtung, die eine periodische lokalisierte Erwärmung an einer mikroskopischen Stelle in dem Material erzeugt, zur Erzeugung von thermischen Wellen, die mit mikroskopischen charakteristischen Stellen in dem Material in Wechselwirkung treten und eine thermische Welle erzeugen, welche diese charakteristischen Stellen abbildet, wobei die thermischen Wellen Schallwellen erzeugen, die in dem Material eine größere Wellenlänge aufweisen und sich in dem Material ausbreiten;

Detektionsmittel zum Erfassen der Schallwellen, die in dem Material erzeugt werden, zur Erzeugung von Detektorsignalen;

Abtastmittel zum Abtasten des Materials in Form eines ^lzweidimensionalen Feldes von mikroskopischen Stellen; und

Verarbeitungsmittel zum Verarbeiten der Detektorsignale.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung eine Quelle elektromagnetischer Strahlung ist, die einen kontinuierlichen Laser enthält, oder ein Teilchenstrahl, und daß die periodische lokalisierte Erwärmung des Materials durch Intensitätsmodulation der Heizeinrichtung ausgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung von Tiefenprofilen des Materials durch aufeinan-

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derfolgende Abtastung desselben in verschiedenen ausgewählten Tiefen die Modulationsfrequenz bei aufeinanderfolgenden Abtastvorgängen selektiv geändert wird., um die Eindringtiefe der thermischen Wellen zu verändern.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung von Tiefenprofilen des Materials die Verarbeitung der Detektorsignale eine Analyse der Phase derselben umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur . Erstellung von Tiefenprofilen des Materials durch aufeinan-; derfolgende Abtastung desselben in verschiedenen Tiefen die Energie der Erwärmungsquelle verändert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Vorhandenseins von fluoreszierenden Stoffen, fotochemischen Prozessen und Fotospannungsprozessen im mikroskopischen Maßstab bei der Verarbeitung der Detektorsignale eine Änderung derselben erfaßt wird, die durch jede mikroskopische Stelle in dem Material erzeugt wird, oder die Zeitabhängigkeit des Detektorsignals erfaßt wird bzw. das Detektorsignal gemessen wird, das durch einen Puls einfallenden Lichtes in Abhängigkeit von der Zeit erzeugt wird, oder indem die Amplitude und/oder Phase des Detektorsignals in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz gemessen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Dicke von Dünnschichten bei der Verarbeitung der Detektorsignale die Zeitabhängigkeit derselben analysiert wird, die durch eine gepulste Wärmequelle erzeugt wird, oder die Amplitude und/öder Phase des Detektorsignals in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz analysiert wird.

11. bis 27. (gestrichen).

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