202988. lajstromszámú szabadalom • Fényoptikai eljárás és berendezés anyagi minőség vizsgálatára
1 HU 202988 B 2 A találmány tárgya fényoptikai eljárás és berendezés anyagi minőség vizsgálatára. A megoldás előnyösen alkalmas anyagfolytonosségi vizsgálatok elvégzésére, mikroelektronikai technológiai folyamatellenőrzésre. Ismeretes, ha valamely anyagra vagy anyagba szaggatott elektron- vagy fénynyalábot irányítunk, akkor az anyagba a szaggatás frekvenciáival azonos frekvenciájú akusztikus jelet mérhetünk. Ez az akusztikus jel a szaggatott nyalábbal keltett, erősen csillapított hőhullámok eredménye. A hőhullámok nemcsak a fent említett akusztikus hullámokat keltik, hanem egyéb fizikai paramétereket is periodikusan megváltoztatnak, így például periodikusan változik az anyag komplex törésmutatója, tehát abszorpciós és reflexiós együtthatói, fénytörési indexe stb; periodikusan változik a vizsgált anyag mérete, és a vizsgált gáz, vagy a szilárd folyadék halmazállapotú mintát körülvevő gáz nyomása is. E periodikus változások erőssége az anyagi tulajdonságok, mint például hókapacitás, hóvezetőképesség, abszorpciós együttható stb. függvénye. (A. Rosenncwaig Photoacousties and Photoacoustic Spectroscopy Chem. Anal. vol. 57; Wily 1980.) Sokféle eljárás ismeretes a hőhullámok közvetlen vagy közvetett detektálására. Ilyen például a gáz-mikrofon rendszer, amelynél a minta és a környező gáz közötti periodikus hőátadás periodikus nyomásváltozást eredményez, amely mikrofonnal detektálható. Detektálható a minta által emittált infravörös sugárzás periodikus változása is. A mintát körülvevő gáz vagy folyadék periodikus hőmérsékletváltozása a törésmutató periodikus változását eredményezi, ami periodikusan eltéríti a minta felületével párhuzamosan haladó, mérő lézernyalábot. Szilárd mintához piezoelektromos érzékelőt érintve ismert módon az akusztikus hullámok erősségét mérhetjük. A szilárd minta periodikus felületi elmozdulása másik lézernyalábbal interferometrikusan is mérhető. Fókuszált, szaggatott elektron- vagy fénnyaláb lokális, periodikus deformáló hatása másik folyamatosan működő, fókuszált lézernyalábbal mérhető, mert a lokális deformáció ezt a második lézernyalábot periodikusan irányváltoztatásra kényszeríti. A visszavert fényt fotodiódapárra vetítve a periodikus eltérítés hol egyik, hol másik fotodiódán növeli, illetve csökkenti a jelet, s így különbségképzéssel és zajszűrés szükségessége esetén fázisérzékeny detektálással a vizsgálandó minta felületének elmozdulása kimérhető (M.A. Olmstead, N.M. Amer, S. Kohn D. Fournier and A.C. Boccara; Appl Phys. A32, 141-154; 1983). Hasonlóan alkalmas Andor L. Kristó A. és Lőrinc A. által kifejlesztett megoldás például a következő: a fókuszált nyaláb optikai tengelyében hengerlencsés nyalábtorzitót alkalmaznak és kvadráns fotodetektort helyeznek el a reflektált nyaláb mentén ott, ahol a nyaláb keresztmetszete éppen kör alakú, A kvadráns fotodetektor szembenlévő elemeinek összegjelét, majd az össszegjel különbségét képezik. A periodikus optikai úthosszváltozás hol egyik fotodetektorpáron növeli és a másikon csökkenti a jelet, hol pedig fordítva. Ebben az esetben a hőhullámmikroszkóp jelét a szaggatási frekvencia kétszeresére állított fézisérzékeny detektorral mérik. A modern anyagkutatás és minőségellenőrzés roncsolásraentes, érintésmentes, vákuumot nem igénylő, de esetleg vákuumban is működőképes, mikrométeres felbontású anyagvizsgálati módszereket igényel. Az ismeretek közül csak néhány tesz eleget ezeknek a feltételeknek. Az interferometrikus, illetve a lokális deformációt mérő nyalábeltérítéses módszer alapvetően nehézkes, mivel két lézernyaláb mikrométer vagy annál is nagyobb pontosságú egymásrafokuszélésát követeli meg. A szaggatási frekvencia kétszeresén dolgozó megoldás esetén problémát okoz az, hogy noha a szaggatási frekvencia ideális esetben nem tartalmaz első felharmonikust, mégis‘a valóságban a létező elemek nemlinearitása miatt ilyen komponens létrejön, ami kiszűrhetetlen (koherens) hamis jelet eredményez. A találmány célja az elektronikus kiszűrhetetlen koherens jel csökkentése a hasznos jelhez képest. A találmánnyal megoldandó feladat ennek megfelelően olyan megoldás kíalakitésa, amelyhez alkalmas mikroméretű anyagok vizsgálatára, nem igényli két lézernyaláb nagypontosságú egymásrafokuszélésát, a hasznos jel hamis jel arányt a lehetőségekhez képest maximalizálja, roncsolás és érintésmentes, valamint működik vákuumban és folyadékban egyaránt. A korábbi ismert eljárásokban a teljes transzmittélt vagy reflektált fénynyalábot a fotodetektorokra képezték le. Mint ismeretes, az anyagon áthaladó vagy az anyagról reflektált nyaláb az anyagtól alkalmas távolságra (ez a távolság éppen megegyezik az anyag és a fókuszáló lencse távolságéval) direkt és szórt nyalábra bontható (C.J.R. Sheppard nad T. Wilson; Proc. Roy. Soc. London 295A. 513-536; 1980). Abban az esetben, ha olyan két optikai lencsét alkalmazunk, melyeknek apertúrája (nyílása) azonos átmérőjű kör, akkor a fénydetektoron a fényintenzitás értékét I = (d + is)2 = d2 - s2 ahol d - a direkt fény amplitúdója, s - a szórt fény amplitúdója, i - komplex egységgyök összefüggés alapján határozhatjuk meg. A találmány alapja az a felismerés, hogy fényoptikai úton ez az összefüggés megváltoztatható és a hasznos információt 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
