Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию, страница 10

Это может достигаться использованием светоделительной пластинки или диском с несколькими отверстиями.Принцип конфокального микроскопа показан на рис. 2.6. Из приведенной схемы видно, что пинхол блокирует свет, рассеянный от образца изплоскости Z2, при этом регистрируется спектр исключительно из плоскости Z1, фокальной плоскости.

Только сфокусированные и идущие по осисветовые пучки достигают детектора, а внеосевые и несфокусированныепучки блокируются, таким образом, ограничивается глубина детектирования объема образца. Поэтому конфокальный микроскоп способен получатьизображение тонких оптических слоев, слой за слоем, фокусируясь вглубину образца вплоть до 80 мкм.

При определенных условиях толщинатакого слоя может составлять менее 500 нм. Преимущества конфокальноголазерного микроскопа по сравнению с обычным микроскопом очевидны.Это способность собирать рассеянный образом свет из маленькой исследуемой точки внутри достаточно большого образца. При этом не толькозначительно возрастает осевое разрешение, но и улучшается поперечноеразрешение. Подавляется мешающая флуоресценция и уменьшается рассеянный свет. Все это повышает качество и контраст изображения каждоготонкого оптического слоя и позволяет получить трехмерное изображение,которое содержит информацию о пространственной структуре объекта.49Способ конфокального сканирования трехмерных микрообъектовбыл предложен еще в 50-х годах прошлого столетия, но первые 3Dмикроскопы появилисьтолько к концу 80-х.

Внастоящеевремянабольшее распространениеполучила лазерная сканирующая конфокальнаямикроскопия (LSCM –Laser Scanning ConfocalMicroscopy). Объемноеизображение в LSCM получается при помощи регистрации флуоресценции в фокусе лазерноголуча. Излучаемые фотоны фокусируются объективом на небольшом (~50мкм) отверстии, котороеслабляет флуоресцентРис. 2.6. Схема конфокального микроскопаный сигнал от участков,находящихся не в фокусе. Для реконструкции рельефа поверхности снимаются несколько оптических срезов, подобно методам определения высоты по фокусу, и строитсяфункция измерения фокуса. В качестве значения функции измерения фокуса выбирается интенсивность отраженного от точки света. Высота рельефа поверхности определяется по максимуму функции измерения фокуса.Основным недостатком таких методов является большое время захвата оптических срезов (порядка секунды и более на одно изображение).Значительно более высокая скорость сканирования характерна для SDCM(Spinning Disk Confocal Microscopy), где используется вращающийся дискс тысячами отверстий.

Однако такой микроскоп становится весьма дорогостоящим. К примеру, в России такой микроскоп имеется лишь в ряде некоторых крупных институтов РАН.50Таким образом, сегодня можно выделить две конкурирующие методики измерения рельефа поверхности нанообъектов. Это методы конфокальной микроскопии и методы определения высоты по фокусу, использующие «классический микроскоп». Обладая рядом преимуществ (точность, универсальность), конфокальная микроскопия все же пока являетсяодним из самых дорогостоящих методов измерения. Методика же измерения высоты по фокусу не требует практически никакого аппаратного усовершенствования и может работать на любом оптическом микроскопе.Одной из наиболее распространенных интерференционных схем, использующихся для дистанционных измерений, является оптическая схемалазерного интерферометра Майкельсона.В оптической схемерис.

2.7 лазер 1 формируеткогерентный световой пучок, который после прохождения оптического элемента развязки 2, предназначенного для предот- Рис. 2.7. Оптическая схема лазерного интерферометравращения попадания отраженного излучения обратно в резонатор лазера 1, поступает на светоделительную пластину 3. Пластина 3 делит световой пучок на два пучка. Проходящий световой пучокпоступает на вторую светоделительную пластину 4, который также делится на два пучка с приблизительно равными интенсивностями. Пучок, прошедший пластину 4, попадает на отражатель 5, выполненный в виде триппель-призмы и жестко связанный с подвижным объектом 6.

Часть светоделительной пластины 4 выполнена полностью отражающей, поэтому световой пучок в результате последовательных отражений от триппель-призмы5, пластины 4 и снова триппель-призмы 5 возвращается к пластинке 3 иинтерферирует с пучком, отраженным от пластины 4, с образованием интенференционной картины в плоскости анализа фотопреобразователя 8.Интерференционная модуляция в схеме рис. 2.7 осуществляется путем периодического перемещения светоделительной пластины 4 в направлении, совпадающем с направлением распространения светового пучка.Периодические перемещения осуществляются с помощью пьезокерамического преобразователя перемещения 7, с которым жестко скреплена пластина 4. В результате периодических перемещений пластины 4 на выходе51фотопреобразователя 8 формируется переменный электрический сигнал,фаза которого связана с измеряемым перемещением интерференционнойкартины.

Таким образом, весь дальнейший процесс измерения оказываетсясвязанным с измерением фазы электрического сигнала, формирующегосяна выходе фотопреобразователя 8.Световая микроскопия, как и электронная, существенно расширилаобласти своего применения при использовании микроскопов с поэлементным принципом построения изображений. Информативные возможностирастровых микроскопов, специфика формирования контраста изображенийпозволяют превратить их в приборы для измерений локальных параметровмикрообъектов. Для этой цели особенно эффективны растровые оптические микроскопы (РОМ) с лазерными источниками излучения.В РОМ остросфокусированный световой луч сканирует по поверхности изучаемого объекта, выписывая растр телевизионного типа.

Синхронно осуществляется развертка в кинескопе видеоконтрольного блока, на экране которого наблюдают изображение. Видеосигнал формируется приулавливании фоторегистратором прошедшего или отраженного света илинаведенными током или фото-ЭДС, возбуждаемыми сканирующим пучкомв объектах с определенной структурой. Амплитуда и форма сигнала в этомслучае зависят от локальных электрофизических параметров объекта, что ипозволяет осуществлять измерения и представлять информацию в видедвумерной карты распределения фотоактивных участков на изучаемомобъекте.Особенности работы РОМ обуславливают их применение, преждевсего, для исследования дефектов и анализа отказов различных полупроводниковых приборов и интегральных схем.

У РОМ весьма высока разрешающая способность, которая равна эффективному диаметру световогопятна на сканируемой плоскости объекта.Наибольшее распространение получили РОМ с газовым лазером вкачестве источника излучения. В этих приборах сканирование световогопятна по объекту может быть осуществлено механически или при помощиоптоэлектронных устройств.При механическом отклонении применяют системы с вращающимися или вибрирующими под действием электродинамических или магнитострикционных эффектов зеркалами или перемещают сам объект относительно неподвижного светового луча. Устройствам такого типа присущи52недостатки, основной из которых – инерционность механических системразвертки, ограничивающая пределы диапазона разверток РОМ.

Частотныепределы разверток РОМ могут быть расширеныприменением электрооптических или акустооптических дефлекторов. Однако эти системысложнее и не обеспечивают отклонение всегопоступающего на дефлекторы светового потока.Такие недостатки приборов, как малый рабочийотрезок объектива и поле зрения, обусловленные необходимостью применения оптики сбольшим коэффициентом уменьшения, ограничивают возможности РОМ.Совершенствование электроники в ХХ веке не могло не отразиться на использовании ее воптической микроскопии.2.2.2. Электронная микроскопияЭлектронный микроскоп (ЭМ) – прибордля наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображенияобъекта (рис.

2.8). Здесь вместо световых лучейиспользуются пучки электронов, ускоренных добольших энергий (30 – 1000 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума. Физические основыкорпускулярно-лучевых оптических приборовбыли заложены в 1827 году (почти за сто лет допоявления ЭМ) У.Р. Гамильтоном, установившим существование аналогии между прохождением световых лучей в оптически неоднородных средах и траекториями частиц в силовыхполях. Целесообразность создания ЭМ сталаочевидной после выдвижения в 1924 году гипоРис.2.8. Электронныйтезы де Бройля о волновой природе электрона, амикроскоптехнические предпосылки были созданы Х.

Бушем, который в 1926 году разработал магнитную электронную линзу.53Таким образом, главным приложением электронной оптики тех летявлялось изобретение и создание в 1930-х годах электронного микроскопа, построенного по законам волновой оптики, но с применением электрических и магнитных полей для фокусировки электронных лучей.Рис. 2.9. Магнитная линзаВ 1931 году Р. Руденберг получил патент на просвечивающийэлектронный микроскоп (ПЭМ), а в 1931 году М.

Кнолль и Э. Руска построили первый просвечивающий микроскоп, применив магнитные линзыдля фокусировки электронов (Э. Руска за данный вклад стал лауреатомНобелевской премии по физике за 1986 год). В СССР первый электронныймикроскоп с увеличением до 10000 раз и разрешением до 400 ангстрем построен в Оптическом институте (г. Ленинград) в 1940 году.В последующие годы Арденне (1938), В.К. Зворыкиным, США(1942) были построены первые растровые ЭМ (РЭМ), работающие напринципе сканирования, т.е. последовательного от точки к точке перемещения тонкого электронного пучка (зонда) по объекту.По некоторым источникам первый растровый электронный микроскоп был изобретен в 1952 году Чарльзом Отли.