Нанометрология (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 10
Описание файла
Файл "Нанометрология" внутри архива находится в следующих папках: Раздаточные материалы от преподавателя, 3 Материалы. PDF-файл из архива "Раздаточные материалы от преподавателя", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "метрология, стандартизация и сертификация (мсис)" из 11 семестр (3 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "остальное", в предмете "метрологическое обеспечение инновационных технологий" в общих файлах.
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст 10 страницы из PDF
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. 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.