ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ МИКРОСКОПИИ В НАНОИЗМЕРЕНИЯХ.
Оптическая микроскопия.
История развития микроскопии-это 15 век.
В 20 веке были разработаны методы микроскопии с помощью электронных и ионных пучков.
Микроскопия - совокупность методов, наблюдений, изображения мелких структур или деталей, невидимых невооруженным глазом, путем увеличения изображения объекта с помощью определённых.инструмента.
В зависимости от вида инструментов различают методы:
оптической электронной,
сканирующе-зондовой
ионной микроскопии.
Оптическая электронная микроскопия основана на явлении дифракции, отражения или преломления излучения, падающего на изучаемый объект и последующий сбор рассеивающего излучения с целью получения изображения.
Сканирующе-зондовая микроскопия базируется на взаимодействии сканирующего зонда с поверхностью
Ионная - предполагает увеличение изображения за счет излучения ионных пучков.
Все эти виды используются в нанотехнологиях и составляют техническую, то есть измерительную, основу в нанометрологии.
Оптический микроскоп.
Первый инструмент, который позволил человеку видеть объекты малых размеров. . Впервые был сконструирован Галилеем в 1610 году.
Диапазон размеров объектов, который можно наблюдать в современный оптический микроскоп (использует свойства линз и зеркал), может быть менее 100нм, что ограничивается физика света.
В связи с этим современные оптические микроскопы позволяют увеличение объекта не более чем в 2000 раз.
В начале микроскопа давали лишь 2-хмерное изображение наблюдаемого объекта.
Для того, чтобы наблюдать 3-хмерные объекты, был разработан стериомикроскоп, который использует различные оптические пути, для левого и правого окуляра. Однако всё равно такой микроскоп не решает вопрос об измерении высоты и других параметров рельефов, наблюдаемого объекта. Он лишь дает объёмное восприятие объекта человеком.
В связи с развитием вычислительной техники последние десятилетия быстро развиваются методы измерения трехмерного рельефа поверхности с помощью оптических микроскопов.
Методы разделяются на:
пассивные
активные.
Особенности активных методов – в них используются конструктивные усовершенствования микроскопа, дополнительное освещение через фильтр или лазер.
Пассивные -методы анализа изображения.
Техника стереоанализа изображений базируется на использовании стереомикроскопа, в котором при помощи 2-х или более видеокамер получают изображения одного и того объекта, снятого с различных углов зрения. Далее с помощью математического анализа вычисляется рельеф поверхности. Его ещё называют триангуляцией.
Методы стереотриангуляции основаны на поиске и идентификации одинаковых точек микрорельефа на различных изображениях. (Данный метод применим, только если объект имеет достаточно точную структуру, т.е. обладают отличительная особенность тех или иных точек.
Методы определения высоты по фокусу базируется на принципе, что объект изображаются 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 - Depth from focus metods (DFF).
Методы стереомикроскопии в целом менее точные, нежели методы измерения высоты по фокусу, и используются для визуального наблюдения объемного объекта.
Методы измерения высоты по фокусу получили свое развитие в конце 90-х годов прошлого века, и начали активно развиваться с развитием вычислительной техникой.
Конфокальный микрокоп.
На рисунке представлены виды микроскопов, использующий измерение по фокусу.
В данном случае целесообразно конфокальная микроскопия. Это самая распространенный метод реконструкции трехмерного рельефа поверхности объекта размера выше 100 нм.
Отличия конфольного микроскопа от оптического:
1) В каждый момент времени регистрируется изображения одной точки объекта, а полноценное изображение строится путем сканирования, а именно движения образца, или перестройки оптической системы.
Для регистрации света от одной точки объекта после объективной линзы располагается диафрагма малого размера, таким образом, чтобы свет испускаемый анализируемой точкой проходил через диафрагму и был зарегистрирован, при этом свет от остальных точек задерживался диафрагмой.
2) Осветитель создает не равномерную освещенность поля зрения, а фокусирует свет ванализируемой точке. Достигается с использованием диска с несколькими отверстиями.
Пинхол(отверстие) блокирует свет, рассеянный от образца, из плоскости Z2, при котором регистрируется спектр исключительно из плоскости Z1 фокальной плоскости. Только сфокусированные и идущие по оси световые пучки достигают детектора, при этом не осевые и не сфокусированные пучки блокируются. Таким образом ограничивается глубина детектирования объема образца.
Поэтому конфокальный микроскоп способен получать изображение тонких оптических слоев фокусируясь в глубины образца вплоть до 80 мкм. При определенных условиях толщина такого слоя может составлять менее 500 нм.
В этом его преимущество по сравнению с обычным:
Это способность собирать рассеянный образом свет из маленькой исследуемой точки внутри достаточно большого образца. При этом не только значительно возрастает осевое разрешение, но и улучшается поперечное разрешение. Всё это повышает качество, контраст изображения каждого тонкого оптического слоя, что позволяет получить трехмерное изображение, который расскажет всю информацию о пространственной структуре объекта.
Теория разработки сканирования трехмерного объекта была предложена ещё в 50-е годах, но первый 3D микроскоп появился к концу 80-х годов.
В настоящее время самое большое распространение получила лазерная сканирующая конфокальная микроскопия
Здесь объемное изображение получается при помощи регистрации флюренции в фокусе лазерного луча. При этом фотоны фокусируются в объективы на отверстии (обычно 50 мкм), которое ослабляет флуористентный сигнал от участков, находящийся не в фокусе. Для реконструкции рельефа поверхности снимается несколько оптических срезов и строится функция измерения в фокусе.
В качестве значения функции измерения фокуса выбирается интенсивность отраженного от точки света. Высота рельефа поверхности определяется по максимуму функции измерения фокуса.
Недостатки таких методов:
большое время захвата оптических срезов (составляет порядка секунды и более на одно изображение).
Значительно более высокая скорость сканирования характерна для микроскопов, в который используется вращающий диск с 1000 отверстиями (он очень дорогой).
На сегодня можно выделить 2 конкурирующие методики измерения рельефа поверхности нанообъектов:
Методы конфокальной микроскопии
Методы определения высоты по фокусу.
На данный момент конфокальная микроскопия является одной из самых дорогостоящих измерений.
Методика же измерения высоты по фокусу не требует никакого дополнительного аппаратного совершенствования и может работать на любом оптическом микроскопе.
Одной из наиболее распространенных интерференционных схем, использующихся для дистанционных измерений, является оптическая схема интерферометра Майкельсона.
Лазер 1 формирует когерентный световой пучок, который после прохождения оптического элемента развязки 2 (данный элемент предназначен для предотвращения попадания отраженного излучения обратно в резонатор лазера) поступает на светоделительную пластину 3. Эта пластина делит световой пучок на 2 пучка. Проходящий световой пучок наступает на вторую светоделительную пластину 4, который так же делится на 2 пучка с практически равными интенсивностями. Пучок, который прошел пластину 4, падает на отражатель 5. Данный отражатель выполнен в виде призмы и жестко связан с подвижным объектом 6.
Часть светоделительной пластины 4 выполнена полностью отражающей, поэтому световой пучок в результате последовательной отражения от призмы 5 и от пластины 4 и снова от призмы возвращается к пластине 3 и интерфирируестя с пучком, отраженным от пластины 4, с образованием интерференционной картины в плоскоти анализа фотопреобразователя 8.
Интерференционная модуляция 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 которой жестко соединена пластина 4. В результате периодических перемещений пластины 4, на выходе фотопреобразователя 8 формируется переменный электрический сигнал, фазы которого связаны с измеряемых перемещением интерференционной картины.
Далее весь дальнейший процесс измерения оказывается связанным с измерением фазы электрическим сигналом, формирующегося на выходе фотопреобразователя 8.
Световая микроскопия, как и электронная, расширила в области своего применения при использовании микроскопов с поэлементным принципом построения изображения.
Для этой цели используются растровые оптические микроскопы с лазерными источниками излучения, что специфика формирования контраста изображения позволяет превратить эти приборы для измерения локальных параметров микрообъекта. Остро сфокусирован световой луч, сканирует поверхности изучаемого объекта, выписывая растр телевизионного типа, то есть происходит синхронно развертка в микроскопе.
Видео сигнал формируется при улавливании фоторегистратора или отраженного света, или наведенного током или фото - эдс, возбуждающим сканируемых пучком в объекты с опр.структурой. Амплитуда и форма сигнала зависит от локальных параметров объекта, что позволяет осуществлять измерение, представлять информацию в виде двумерной карты, распределение фото - активных результатов на изучаемом объекте. особенности этого микроскопа(РОМ) обуславливает их применение прежде всего для исследования дефектов и анализа отказов различных интегральных схем и полупроводников предметов, в данных микроскопах высокая способность ,она равна эффективному диаметру светового пятна на сканируемой плоскости объекта. Наибольшее распространение получили РОМ с газовым лазером, в качестве источника излучения. В этих приборах сканирование светового пятна осуществляется или механически, или …устройств.(опто - электронных). При мех. отклонении применяется системы с вращающимся или вибрирующими под действиями электродинамических эффектов с зеркалами или же перемещают сам объект относительно неподвижного светового луча. Таким устройствам недостатки -инерционность мех.систем, ограничивающего пределы диапазона развертки РОМ, частотные пределы РОМ мб расширена с помощью электрооптических или аккусто -оптических дефлекторов, система становится сложнее и не обеспечивают отклонения всего выступающего светового потока на дефлекторе, следствие чего такие приборы ограничивают возможности РОМ.