203409. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés anyagi minőség vizsgálatára fényelnyelés okozta reflexió, vagy transzmisszió változás alapján
1 HU 203 409 B 2 és fókuszáló optikai lencséje (C) van. Az optikai lencse (C) tengelye mentén, a fénysugárforrás (L2) képének helyén vizsgált minta (M) van elhelyezve, az optikai lencse (C) optikai tengelye pedig merőleges fénysugárforrás (L2) vonalára. A berendezés úgy van kialakítva, hogy további, nagy felületi fényességű, homogén fénysűrűségű fényforrást (Lj) tartalmaz, a további fényforrás (L,) által kibocsátott próbanyaláb útjában, a próbanyalábot a vizsgált mintára (M) leképező második optikai lencséje (A) és a vizsgált mintáról (M) vagy a vizsgált mintáról (M) visszavert, vagy azon áthaladó próbanyaláb útjában, a próbanyalábot fotodetektor mátrixra (D) leképező harmadik optikai lencséje (B) van. A fotode- 5 lektor mátrix (D) kimenete, vagy kimenetei modulációs frekvenciára állított fázisérzékeny erősítőn (E) vagy erősítőkön (E) keresztül megjelenítő egység(ek)hez (G) csatlakozik/nak. (A találmány jellemző ábrája az 1. ábra.) A találmány tárgya eljárás és berendezés anyagi minőség vizsgálatára fényelnyelés okozta reflexió, vagy 15 transzmisszó változás alapján. A megoldás előnyösen alkalmas anyagfolytonossági vizsgálatok elvégzésére, mikroelektronikai technológiai folyamatellenőrzésre. Ismeretes, ha valamely anyagra, vagy anyagba szaggatott elektron-, vagy fénynyalábot irányítunk, akkor az 20 anyagban a szaggatás frekvenciájával azonos frekvenciájú akusztikus jelet mérhetünk. Ez az akusztikus jel a szaggatott nyalábbal keltett, erősen csillapított hőhullámok eredménye. A hőhullámok nemcsak az akusztikus hullámokat keltik, hanem egyéb fizikai paramétereket is 25 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 szilárd, vagy folyékon halmazállapotú - 30 mintát körülvevő gáz nyomása is. E periodikus változások erőssége A. Rosencwaig: Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy, Chem. Anal. Vol. 57 (Wiley, 1980) megállapítása alapján az anyagi tulajdonságok, mint például hőkapacitás, hővezetőképesség, abszorp- 35 ciós együttható stb. függvénye. A hőhullámok közvetlen, vagy közvetett detektálására igen sokféle megoldás ismeretes. Ilyen például a gáz-mikrofonrendszer, amelynél a minta és a környező gáz közötti periodikus hőátadás periodikus nyomásváltozást eredményez, amely 40 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 a periodikusan eltéríti a minta felüle- 45 tével 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. Fó- 50 kuszáit szaggatott elektron-, vagy fénynyaláb Ideális, periodikus deformáló hatása másik, folyamatosan működő, fókuszált lézernyalábbal mérhető, mivel a lokális deformáció ezt a második lézernyalábot periodikusan irányváltoztatásra kényszeríti. A visszavert fényt foto- 55 diódapárra vetítve, a periodikus eltéritődés hol az egyik, hol a másik fotodiódán növeli, illetve csökkenti a jelet és így különbségképzéssel és zajszűrés szükségessége esetén, fázisétzékeny detektálással a vizsgálandó mindta felületének elmozdulása kimérhető [M. A. Olmstead, 60 N. M. Amer, S. Kohn, D. Fournier, A. C. Boccara; Appl. Phys. A 32,141-154(1983)]. Hasonlóan alkalmas általunk korábban kidolgozott megoldás például a következő. A fókuszált nyaláb optikai tengelyében hengerlencsés nyalábtorzítót alkalma- 65 zunk és kvadráns fotodetektort helyezünk el a reflektált nyaláb mentén ott, ahol a nyaláb keresztmetszete éppen kör alakú. A kvadráns fotodetektor szembeniévé elemeinek összegjelét, majd az összegjelek különbségét képezzük. A periodikus optikai úthosszváltozás hol egyik fotodetektor-páron növeli és a másikon csökkenti a jelet, hol pedig fordítva. Ebben az esetben a hőhullám mikroszkóp jelét a szaggatási frekvencia kétszeresére állított, fázisétzékeny detektorral mérjük. A modem anyagkutatás és minőségellenőrzés roncsolásmentes, érintésmentes, vákuumot általában nem igénylő, de esetleg vákummban is működőképes, mikrométeres felbontású anyagvizsgálati módszereket igényel. Az ismert megoldások közül az interferometrikus, illetve a lokális deformációt mérő nyalábeltérítéses módszer alapvetően nehézkes, mivel két lézernyaláb mikrométer, vagy annál is nagyobb pontosságú egymásra fókuszálását követeli meg. A szaggatási frekvencia kétszeresén dolgozó ismert megoldás esetén problémát okoz az, hogy noha a szaggatási négyszögjel ideális esetben nem tartalmaz első felharmonikust, mégis a valóságban a létező elemek nemlinearitása miatt ilyen komponens létrejön, ami kiszűrheteüen (koherens), hamis jelet eredményez. Ezt a problémát eddig kétféleképpen oldották meg: az interferometrikus eljárásnál a koherens hamis jel kiejtését célzó optikai különbségképző eljárással [L. Chen, K. H. Yang, S. Y. Zhang; Appl. Phys. Lett. 50, 1349-1351 (1987)]; és az általunk kidolgozott fázisinformáció leképzésén alapuló sötéttér, vagy fáziskontraszt ismert eljárásokkal. Mindkét ismert eljárási megoldás, sőt az összes ismert fotoakusztikus, vagy azzal rokon eljárások hátránya a megoldás lassúsága. Ennek oka abban rejlik, hogy a leképzés szkenneléssel, pontonként, vagy vonalanként történik, és hogy minden képpont, illetve vonal esetén a mérési eredményhez a szaggatási periódusidő többszörösére van szükség a fázisérzékeny detektálási eljárás miatt. Jelen találmány célja olyan megoldás létrehozása, amellyel a hőhullámos, vagy azzal rokon fotoakusztikus mikroszkópos eljárások képalkotási sebessége növelhető. Felismertük, hogy az eddig ismert megoldások mellett a fényabszorpció okozta reflexió és transzmisszió változás is felhasználható a leképzésre. Ebben az esetben felismerésünk szerint mód nyílik arra, hogy a teljes felületet szkennelés nélkül egyszerre, egy lépésben képezzük le. A leképzés sebessége ezáltal jelentős mértékben megnövelhető. Felismerésünk lényege az, hogy egy homogén fényességű kiterjedt fényforrás fényét mintán átengedve, vagy mintáról reflektáltatva, kétdimenziós fotodetektor 2
