СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОЗРАЧНОГО ОБРАЗЦА МЕТОДОМ ПЭВ-МИКРОСКОПИИ Российский патент 1997 года по МПК G01N21/88 

Изобретение относится к области контроля качества поверхностей материалов оптическими методами, а именно к обнаружению дефектов и других микрообъектов на плоских поверхностях проводящих и полупроводящих изделий путем регистрации отличия условий возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на участках поверхности с неоднородностями от условий возбуждения ПЭВ на однородных участках поверхности изделия, и может найти применение в оптическом приборостроении, в физических, химических, медико-биологических и других исследованиях.

Известен оптический способ исследования поверхностей твердых тел со сверхвысоким вертикальным разрешением (до 1 нм), получивший название ПЭВ-микроскопия, заключающийся в том, что над плоской поверхностью образца из поверхностно-активного материала (с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости) на расстоянии d_опт, где

; λ_o длина волны излучения в вакууме,
действительная часть и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости материала образца,
ε_ср диэлектрическая проницаемость окружающей среды,
размещают призму с диэлектрической проницаемостью ε_пр > ε_ср, сколлимированным монохроматическим p-поляризованным излучением внешнего источника возбуждают ПЭВ на поверхности образца и регистрируют пространственное распределение интенсивности отраженного излучения фотоприемным устройством [1, 2] Основным недостатком известного способа является необходимость использования твердотельной призмы, манипулирование которой при d ~ λ_o приводит к повреждению поверхности образца. Кроме того, необходима специальная микрометрическая приставка для регулирования и контроля величины зазора (слоя связи) d между призмой и поверхностью образца.

От выше названных недостатков избавлена беспризменная ПЭВ-микроскопия [3] В этом способе роль призмы выполняет окружающая среда, а в качестве слоя связи используют твердотельный слой из материала с диэлектрической проницаемостью ε_сл < ε_ср. Основным недостатком этого способа является невозможность проведения измерений в широком спектральном диапазоне, что необходимо для визуализации более широкого класса неоднородностей, так как толщина слоя связи нерегулируема и при использовании излучения с другими λ_o, отличными от исходной длины волны, возбуждения ПЭВ может не произойти. Кроме того, удаление твердотельных слоев связи с поверхности изделия после завершения ПЭВ-микроскопических исследований процесс трудоемкий и не всегда возможный. По существу, в этом случае ПЭВ-микроскопия превращается в разрушающий метод исследования поверхности.

Существует другой способ выполнения беспризменной ПЭВ-микроскопии [4] В этом способе роль призмы выполняет жидкая окружающая среда. Образец приводят в тепловой контакт с охладителем и формируют слой связи из твердой фазы окружающей среды, охлаждая образец до температуры, при которой толщина этого слоя достигает оптимального значения. Основными недостатками этого способа являются: 1) необходимость наличия охладителя и понижение температуры образца до температуры замерзания жидкости, что может быть нежелательным воздействием на образец; 2) практическая невозможность формирования однородного по толщине слоя связи из-за отличия теплопроводностей материала образца и внедренных в него неоднородностей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ исследования поверхности полупрозрачного образца методом ПЭВ-микроскопии [5] В этом способе полупрозрачный образец из поверхностно-активного материала наносят на основание твердотельной призмы с показателем преломления больше показателя преломления среды, сколлимированным монохроматическим p-поляризованным излучением внешнего источника, направленным на основание призмы под углом возбуждения ПЭВ, возбуждают ПЭВ на границе раздела "образец - окружающая среда" и регистрируют пространственное распределение интенсивности отраженного излучения фотоприемным устройством. Основным недостатком этого способа является невозможность регулирования контраста и глубины резкости изображения, что ограничивает класс исследуемых объектов.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе исследования поверхности полупрозрачного образца методом ПЭВ-микроскопии, включающем нанесение полупрозрачного образца из поверхностно-активного материала на основание твердотельной призмы с показателем преломления больше показателя преломления окружающей среды, возбуждение ПЭВ на границе раздела "образец - окружающая среда" сколлимированным монохроматическим p-поляризованным излучением внешнего источника, направленным на основание призмы, и регистрацию пространственного распределения интенсивности отраженного излучения фотоприемным устройством, возбуждение ПЭВ осуществляют не одним пучком излучения внешнего источника, а набором сколлимированных пучков монохроматического излучения с различными длинами волн λ_o под углами падения равными соответствующим углам возбуждения ПЭВ на данных λ_o, а регистрацию пространственного распределения интенсивности отраженного излучения выполняют во всех пучках одновременно.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает возможность выбора контраста изображения образца, что существенно при исследовании быстропротекающих процессов (каталитических химических реакций, кратковременных воздействий, функционирования биологических микрообъектов и др.).

В качестве примера рассмотрим применение способа для визуализации решетки из LiF с показателем преломления n_a=1,39 (во всем используемом диапазоне λ_o) толщиной d_a, сформированной на поверхности медной пленки с показателем преломления n₁ и показателем поглощения k₁ толщиной 50 нм, нанесенной на основание призмы с показателем преломления n_пр=1,51. Значения оптических постоянных n₁ и k₁ взяты из [6] С целью оценки глубины резкости изображения решетки были выполнены расчеты зависимости контраста изображения K от d_a для λ_o= 0,60 мкм, 0,58 мкм и 0,55 мкм. При этом углы падения Φ пучков излучения были выбраны равными соответствующим углам возбуждения ПЭВ v_o: 45^o15', 46^o00' и 48^o10'. Контраст изображения рассчитывался по формуле:
K=(R-R_min)/(R_max+R_min)≈(R-R_min)/(1+ R_min);
где R_min коэффициент отражения по мощности p-поляризованного излучения R_p на данной λ_o при Φ = Φ_o и d_a=0 (соответствует минимуму резонансного провала на зависимости R_p(Φ) при d_a=0);
R_max значение R_p за пределами резонансного провала (можно считать R_max ≈ 1); R текущее значение R_p при Φ = Φ_o и d_a≠0.

На чертеже приведены расчетные зависимости K(d_a) для различных λ_o. Анализ хода этих зависимостей показывает, что при λ_o = 0,6 мкм контраст изображения достигает своего максимального значения 0,90 при d_a=20 нм. Это означает, что при выполнении ПЭВ-микроскопии в этом случае слои LiF с d_a>20 нм неотличимы друг от друга. При использовании излучения с λ_o = 0,58 мкм глубина резкости (т. е. возможность дифференциации толщины слоя LiF) повышается до 30 нм, а при λ_o = 0,55 мкм до 50 нм. Отметим, что увеличение глубины резкости сопровождается уменьшением контраста изображения. Отличие максимального значения K, от единицы объясняется отличием от нуля R_min, что выполняется лишь при оптимальных условиях возбуждения ПЭВ.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Либенсон М.Н. Диденко И.А. Оптическая микроскопия сверхвысокого разрешения /Оптический вестник, 1992, N 5-6, с. 1-2.

2. Тищенко А.А. Никитин А.К. ПЭВ в оптической микроскопии /Вестник РУДН (сер. физика), 1993, т. 1, N 1, с. 114-121.

3. Roeseler A. Golz M. Trutschel U. Abraham M. Prismless excitation of surface plasmons in infrared spectral region by ATR// Optics Commun. 1989, V. 70, N 1, p. 8-11.

4. Никитин А. К. Тищенко А.А. Способ исследования поверхностей твердых тел /Авторское свидетельство СССР N 1749785, Бюл. N 27 от 23.07.92, G 01 N 21/41.

5. Morgan H. Taylor D.M. Surface-plasmon Resonance Microscopy - Reconstructing a 3-Dimensional Image // Applied Physics Letters, 1994, v. 64, N 11, p. 1330-1331.

6. Золотарев В.М. Морозова В.Н. Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред /Л. Химия, 1984, с. 215.

Использование: изобретение относится к области контроля качества поверхностей материалов оптическими методами. Сущность изобретения заключается в том, что в способе исследования полупрозрачного образца методом ПЭВ-микроскопии, включающем нанесение полупрозрачного образца из поверхностно-активного материала на основание твердотельной призмы с показателем преломления больше показателя преломления окружающей среды, возбуждение ПЭВ на границе раздела "образец - окружающая среда" сколлимированным монохроматическим p-поляризованным излучением внешнего источника, направленным на основание призмы, и регистрацию пространственного распределения интенсивности отраженного излучения фотоприемным устройством, на основание призмы воздействуют набором сколлимированных пучков монохроматического излучения с различными длинами волн λ_o под углами падения, равными соответствующим углам возбуждения ПЭВ на данных λ_o, а регистрацию пространственного распределения интенсивности отраженного излучения выполняют во всех пучках одновременно для выбора необходимого контраста изображения образца. 1 ил.

Способ исследования поверхности полупрозрачного образца методом ПЭВ-микроскопии, включающий нанесение полупрозрачного образца из поверхностно-активного материала на основание твердотельной призмы с показателем преломления больше показателя преломления окружающей среды, возбуждение ПЭВ на границе раздела "образец окружающая среда" сколлимированным монохроматическим р-поляризованным излучением внешнего источника, направленным на основание призмы, и регистрацию пространственного распределения интенсивности отраженного излучения фотоприемным устройством, отличающийся тем, что на основание призмы воздействуют набором сколлимированных пучков монохроматического излучения с различными длинами волн λ₀ под углами падения, равными соответствующим углам возбуждения ПЭВ на данных λ₀, а регистрацию пространственного распределения интенсивности отраженного излучения выполняют во всех пучках одновременно для выбора необходимого контраста изображения образца.