Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию, страница 9

Они предназначены для изменения направлениялучистого потока, ограничения поперечных размеров пучка излучения,формирования самого пучка. ОП не носят измерительных функций.Преобразователи же групп ОИП и ОЭИП, как правило, определяют ипринцип измерения. Поэтому они имеют многие метрологические параметры: чувствительность, характеристики преобразования, постояннуювремени, спектральные характеристики, тепловые характеристики и др.Система обеспечения единства измерений предусматривает для них соответствующие эталонные измерительные преобразователи энергетических исветовых величин. Такие эталоны сосредоточены в основном в ВНИИФТРИ и ВНИИОФИ.В наноиндустрии встречаются много объектов, для которых определяемые оптические характеристики относятся лишь к промежуточным информативным параметрам, функционально связанным с другим параметром интересующего пользователя исследуемого вещества или материала.Например, это определение толщины покрытия, уровня, концентрации,структуры и химического состава вещества.

На спектральном отраженииизлучения базируется калориметрия (цветовые измерения), голографическая интерферометрия, спектрофотометрия, поляриметрия, хроматографияи многое другое. Естественно, в одном пособии все это разнообразие методов и средств отразить невозможно. Поэтому ниже сосредоточимся в основном на линейных наноизмерениях как на базе нанометрологии. В редких случаях для подкрепления тех или иных положений будем использовать примеры из других областей.Исследование физических явлений в нанодиапазоне приводит к появлению новых эффектов, иногда противоречащих законам «классической44физики». Так в 1948 году голландский физик Генрих Казимир предсказал,что на расстояниях порядка нанометра между телами (плоскостями) должна наблюдаться сила притяжения.

По этой теории отдельные детали изделий в нанометровом диапазоне будут «сминаться». Однако, спустя восемьлет после открытия данного явления Евгений Лифшиц выяснил, что эффект Казимира на самом деле является всего лишь проявлением ван-дерваальсовых, или межмолекулярных, сил, и, более того, если зазор междуповерхностями заполнить специально подобранным веществом, то притяжение между поверхностями может смениться отталкиванием.

Такоеобобщение эффекта Казимира получило название «эффект КазимираЛифшица».Во времена предсказания «эффект Казимира» не мог быть экспериментально проверен из-за отсутствия соответствующей аппаратуры. В 90-еже годы ХХ столетия этот эффект неоднократно подтверждался экспериментально и наметились пути практического использования эффекта. Внанотехнологиях это, например, разработка микроэлектромеханическихсистем (МЭМС). Это так называемые «умные» приборы микрометровогоразмера, вырезанные на кремниевой подложке, и используемые для самосборки нанороботов.2.2. Использование принципов микроскопиив наноизмерениях2.2.1.

Оптическая микроскопияДля детального исследования микро- и наноструктур различной природы существует много разнообразных методов. Микроскопия как средство получения увеличенного изображения зародилась еще в XV веке, когда впервые были изготовлены простые увеличительные стекла для изучения насекомых. В конце XVII века Антонио Ван Левенгук изготовил оптический микроскоп, который позволял установить существование отдельных клеток, болезнетворных микробов и бактерий. Уже в ХХ веке былиразработаны методы микроскопии с помощью электронных и ионных пучков. Таким образом, микроскопия – это совокупность методов наблюденияизображений мелких структур или деталей, невидимых невооруженнымглазом, путем увеличения изображения объекта с помощью того или иного45инструмента.

В зависимости от вида этого инструмента различают методы:оптической, электронной, сканирующей зондовой и ионной микроскопии.Оптическая и электронная микроскопия основаны на явлении дифракции, отражении или преломлении излучения, падающего на изучаемый объект, и последующий сбор рассеянного излучения с целью получения изображения.Сканирующая зондовая микроскопия базируется на взаимодействии сканирующего зонда с поверхностью, а ионная – предполагает увеличение изображения за счет излучения ионных пучков.Все эти виды используются в нанотехнологиях и составляют техническую (измерительную) основу нанометрологии.Оптический микроскоп – первый инструмент, позволивший человекувидеть объекты малых размеров (микроскоп был сконструирован Галилеемв 1610 г.). Диапазон размеров объектов, наблюдаемых в современный оптический микроскоп, использующий свойства линз и зеркал, не можетбыть менее 100 нм, что ограничивает физика света.

Поэтому современныеоптические микроскопы позволяют увеличение объекта не более чем в2000 раз.Обладая малой глубиной фокуса, обычный оптический микроскопсоздает «оптический срез» изображения объекта, на котором четко изображаются лишь детали объекта, попавшие в фокус. Расфокусированныеже части объекта изображаются размытыми.Изначально микроскопы давали лишь двухмерное изображение наблюдаемого объекта.

Для наблюдения трехмерных объектов был созданстереомикроскоп, который использует различные оптические пути для левого и правого окуляра. Однако такой микроскоп не решает вопрос об измерении высоты и других параметров рельефа поверхности наблюдаемогообъекта, а лишь обеспечивает объемное восприятие объекта человеком.В последние десятилетия в связи с развитием вычислительной техники появились и быстро развиваются методы измерения трехмерногорельефа поверхности с помощью оптических микроскопов. Такие методыразделяются на пассивные и активные.

Активные методы используют конструктивные усовершенствования микроскопа, дополнительное освещениечерез фильтр или лазер. Пассивные же концентрируются на методах анализа изображений. Самыми эффективными являются сочетания пассивных46и активных методов, к которым можно отнести метод определения высотырельефа поверхности по фокусу, разработанный в МГУ А.А. Захарченко.Техника стереоанализа изображений базируется на использованиистереомикроскопа, в котором с помощью двух или более видеокамер получают изображения одного и того же объекта, снятого с различных угловзрения. Далее, с помощью математического аппарата стерео триангуляциивычисляется рельеф поверхности.Методы стерео триангуляции основаны на поиске и идентификацииодинаковых точек микрорельефа на различных изображениях.

Естественно, метод триангуляции применим, если объект имеет достаточно четкуютекстуру, т.е. отличительные особенности тех или иных точек. К тому жезачастую возникают ситуации, когда область объекта видна лишь на однойиз камер, что делает невозможным определение высоты поверхности вэтой зоне.Методы определения высоты по фокусу базируются на принципе,что объект изображается наиболее «четко», когда он находится в фокусе.Методы определения высоты по фокусу определяют высоту рельефа поверхности по нескольким изображениям, полученным при различных положениях фокуса микроскопа. Общепринятое название таких методов вмировой литературе – Depth from focus methods (DFF).Методы стереомикроскопии в целом гораздо менее точные, нежелиметоды измерения высоты по фокусу и используются для визуального наблюдения объемного объекта.

Методы же измерения высоты по фокусу,требующие сложных и громоздких расчетов, получили свое развитие лишьв конце 90-х годов прошлого века и в настоящее время бурно развиваютсяс развитием вычислительной техники. По нескольким изображениям, захваченным при различном положении фокуса микроскопа, для каждой области объекта строится кривая измерения фокуса, выражающая степень«сфокусированности» этой области объекта. Максимум кривой измеренияфокуса соответствует положению, при котором область находится в фокусе. Поэтому, найдя для каждой области положение максимума функцииизмерения фокуса, можно реконструировать и измерить рельеф поверхности объекта.

Однако на практике кривая измерения фокуса зашумлена иискажена, поэтому максимум кривой может не соответствовать положению фокуса. Кроме того, существуют области на изображении, высоту которых определить нельзя из-за отсутствия текстуры.47а)б)в)Рис. 2.5. Виды конфокальных микроскопов:а – Olympus FV1000; б – Nicon Ti-E C1sic; в – Нанофайндер-С48В этом случае целесообразна конфокальная микроскопия, самыйраспространенный на сегодняшний день метод реконструкции трехмерного рельефа поверхности объектов размером выше 100 нм. Различныеконструкции конфокальных микроскопов приведены на рис.

2.5.Конфокальный микроскоп отличается от «классического» оптического микроскопа тем, что в каждый момент времени регистрируется изображение одной точки объекта, а полноценное изображение строится путем сканирования (движения образца или перестройки оптической системы). Для того чтобы регистрировать свет только от одной точки объекта,после объективной линзы располагается диафрагма малого размера такимобразом, что свет, испускаемый анализируемой точкой, проходит черездиафрагму и будет зарегистрирован, а свет от остальных точек в основномзадерживается диафрагмой. Вторая особенность состоит в том, что осветитель создает не равномерную освещенность поля зрения, а фокусирует светв анализируемую точку.