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Bauer, Michael (2010): Raman spectroscopy of laser induced material alterations. Dissertation, LMU München: Faculty of Geosciences
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Abstract

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.