Raman spectroscopy of laser induced material alterations

Die konfokale Raman-Spektroskopie ist eine leistungsfähige Methode
zur Charakterisierung von Materialeigenschaften. Damit lassen sich
mechanische Spannungen in homogenen Proben sowie die Verteilung von
Probenbestandteilen optisch bestimmen. Zudem ist es mit der
konfokalen Raman-Mikroskopie möglich Spannungsfelder in Silizium
und Siliziumkarbid darzustellen, welche z.B. während mechanischer
Belastung oder beim Herstellungsprozess entstehen. Diese
Informationen sind für die Optimierung von Fertigungsprozessen und
eine verbesserte Ausfallsicherheit von Mikrosystemen von Bedeutung.
Für eine präzise Bestimmung von Spannungsfeldern ist eine genaue
Untersuchung von thermischen Verschiebungen der Ramanlinien
wichtig. Um die Auswirkung auf die Ramanspektren (thermische
Linienverschiebung und -verbreiterung) zu ermitteln, wurden
Silizium und unterschiedliche Siliziumkarbid Kristallmodifikationen
kontrollierten Heizexperimenten unterzogen. Diese Kalibrierungen
wurden benötigt, um thermische von mechanischen Effekten
unterscheiden zu können, was an einem ausgelenkten
Silizium-Cantilever gezeigt wurde. Zusätzlich zum äußeren Erwärmen
kann es während der Messung zu einer lokalen Erhitzung der Proben
durch den stark fokussierten Laserstrahl kommen. Für verlässliche
Spannungsmessungen in mikrostrukturierten Silizium muss eine solche
lokale Erwärmung berücksichtigt werden. Das Abbilden mittels Raman
bietet hier die Möglichkeit Restspannungen sichtbar zu machen, die
durch Eindrücke in die Oberfläche entstanden sind. Ein Vergleich
zwischen Abbildungen eines Oberflächeneindruckes, welche mit einem
Raman und einem optischen Streulicht-Nahfeldmikroskop (s-SNOM)
aufgenommen wurden, deckte unterschiedliche Mechanismen bei der
Bildentstehung auf. Während die Ramanstreuung Änderungen unterhalb
der Oberfläche darstellen kann, ist die optische Nahfeldmikroskopie
für oberflächennahe Verspannungen empfindlich. Die
Raman-Spektroskopie kann ebenfalls für die Bestimmung von
Inhaltsstoffen in heterogenen Proben und die Charakterisierung von
Materialveränderungen verwendet werden. Ein intensiver UV-Laser
kann zum Beispiel eine Umwandlung von Kalziumfluorid eines
Auskoppelspiegels zu Kalziumkarbonat (Kalzit) verursachen, was sich
mit der konfokalen Raman Spektoskopie veranschaulichen ließ. Eine
Veränderung des Probenmaterials kann aber auch durch den
Anregungslaser selbst erfolgen. So traten oxidative Prozesse an
Titanomagnetiten, eingelagert in geologische Proben auf, die durch
den fokussierten Laser bedingte lokale Aufheizung hervorgerufen
wurden. Diese laserinduzierte Veränderung wurde genauer an
geologischen und synthetischen Titanomagnetiten untersucht.