Pulssilaserilla synnytettävään ultraääneen perustuva ohutkalvojen karakterisointilaitteisto

Abstract

Alle pikosekunnin mittaisella laserpulssilla voidaan synnyttää lyhyt ultraäänipulssi läpinäkymättömään ohutkalvoon. Pulssin heijastukset näytteen sisäisistä kalvojen rajapinnoista voidaan detektoida aikaerotteisesti viivästämällä samasta lähteestä johdettua laserpulssia ja mittaamalla sen avulla aikariippuvia muutoksia pinnan heijastuskertoimessa tai pinnan liikettä. Aikaresoluutio on alle pikosekunnin luokkaa. Tekniikka on ainetta rikkomaton ja soveltuu läpinäkymättömiin kalvoihin tai rakenteisiin, joissa päällimmäinen kerros on läpinäkymätön ja joiden paksuus vaihtelee muutamasta nanometristä useisiin mikrometreihin. Suoraviivaisimmat sovellukset ovat kalvon paksuuden tai äänennopeuden määritys. Resoluutio paksuudessa on nanometriluokkaa. Tässä työssä esitellään mittaustapahtuman fysiikka ja useita kirjallisuudessa esitettyjä menetelmän sovelluskohteita ja variaatioita. Esitetään algoritmi, joka määrittää monikerroksisessa näytteessä syntyvien moninkertaisten kaikujen viiveet ja vaiheet periaatteessa mielivaltaisissa tapauksissa. Laserpulssin synnyttämä aikariippuva lämpötilajakauma näytteessä lasketaan numeerisesti. Signaalin ja kohinan käyttäytymistä systeemissä analysoidaan. Työssä rakennettiin kokeellinen mittauslaitteisto. Paksuus- ja äänennopeusmittaukset demonstroitiin laitteistolla käyttäen sekä pinnan heijastuskertoimen että liikkeen havaitsevaa mittausjärjestelyä ja tarkoitusta varten valmistettuja koenäytteitä. Kaikujen viiveet määritetään mittausdatasta muutaman prosentin tarkkuudella. Paksuuden ja äänen nopeuden määritykset viiveiden perusteella kärsivät äänennopeuden epävarmuudesta ohutkalvoissa ja tarkan paksuusrefererenssin puutteesta. Esitetään suunnitelma parannetusta mittauslaitteistosta. Parannetulla laitteistolla yhdessä tarkan paksuusmittausmenetelmän kanssa paksuus- ja äänennopeusmittauksissa tulisi yltää muutaman prosentin virhemarginaaliin