СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА Российский патент 1999 года по МПК G01N21/88 

Изобретение относится к контролю качества поверхности оптическими методами, а именно к обнаружению дефектов и других оптических неоднородностей на плоских поверхностях проводящих и полупроводящих изделий путем регистрации отличия характеристик поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на неоднородных участках от характеристик ПЭВ на однородных участках изделий, и может найти применение в оптическом приборостроении, например для контроля качества подготовки поверхностей подложек интегрально-оптических устройств, лазерных зеркал и т.д.

Известен способ оптического исследования поверхности твердого тела, получивший название ПЭВ-микроскопия, заключающийся в том, что над плоской поверхностью образца из поверхностно-активного материала (имеющего отрицательную действительную часть диэлектрической проницаемости ε′< 0) на расстоянии d, меньшем глубины проникновения поля ПЭВ в окружающую среду с диэлектрической проницаемостью ε_ср, 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 (ФПУ) [1]. Основным недостатком известного способа является необходимость использования призмы - непланарного элемента, а также необходимость применения специального устройства для регулирования величины зазора (слоя связи) d между призмой и поверхностью образца. Кроме того, в видимом диапазоне величина d порядка длины волны излучения в вакууме λ_o, поэтому регулирование зазора трудно реализовать, не повреждая поверхности образца.

Известен туннельный способ выполнения ПЭВ-микроскопии (являющийся вариацией ближнепольной растровой оптической микроскопии (БРОМ)), заключающийся в том, что полупрозрачный образец из поверхностно-активного материала наносят на грань призмы с ε_пр> ε_ср, сколлимированным монохроматическим p-поляризованным излучением, падающим через призму, возбуждают ПЭВ на внешней поверхности образца, вносят в эванесцентное поле ПЭВ заостренный световод-зонд, соединенный с ФПУ, и, сканируя зонд над исследуемой поверхностью в режиме равной интенсивности детектируемого излучения, измеряют распределение поля ПЭВ по исследуемой поверхности образца, которое однозначно связано с распределением неоднородностей на ней [2, 3]. Туннельная ПЭВ-микроскопия имеет сверхвысокое как вертикальное (до 1 нм), так и латеральное (до λ_o/300) разрешение. Основными недостатками туннельной ПЭВ-микроскопии являются: 1) невозможность исследования быстропротекающих процессов из-за продолжительного времени сканирования зонда; 2) ограниченная область применения - возможность исследования только полупрозрачных образцов.

От обоих выше названных недостатков избавлена беспризменная ПЭВ-микроскопия [4] . 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 для обеспечения возможности визуализации более широкого класса неоднородностей, так как толщина слоя связи d нерегулируема и при использовании излучения с другими λ_o, отличными от исходной длины волны, возбуждения ПЭВ может не произойти. Кроме того, удаление твердотельного слоя связи с поверхности изделия, после завершения исследований, - процесс трудоемкий и не всегда возможный. По существу, в этом случае ПЭВ-микроскопия превращается в разрушающий метод исследования поверхности.

Наиболее близким к изобретению является иммерсионный способ выполнения отражательной беспризменнной ПЭВ-микроскопии [5]. В этом способе роль призмы выполняет окружающая среда - жидкость с показателем преломления большим действительной части эффективного показателя преломления ПЭВ, возбуждаемых на границе образец - слой связи сколлимированным монохроматическим p-поляризованным излучением внешнего источника. Причем слой связи формируют из жидкости нерастворимой в иммерсионной жидкости и имеющей плотность большую, а показатель преломления меньший, чем иммерсионная жидкость. Основными недостатками известного способа являются необходимость использования внешнего источника излучения и воздействие на образец оптическим излучением, что приводит к искажению информации о свойствах исследуемой поверхности. Кроме того, использование монохроматического излучения не позволяет оперативно регулировать контраст и глубину резкости изображения.

Сущность изобретения заключается в том, что на плоской поверхности образца из поверхностно-активного материала формируют однородный слой связи, толщиной меньше глубины проникновения поля ПЭВ, генерируемых на границе слой связи - образец, в материал слоя, и регистрируют пространственное распределение интенсивности p-составляющей излучения, выходящего с поверхности слой связи - окружающая среда, для устранения необходимости использования внешнего источника излучения и искажения получаемой об исследуемой поверхности информации в результате воздействия на нее зондирующего излучения, регистрируют излучение ПЭВ, генерируемых тепловыми колебаниями атомов приповерхностного слоя материала образца, одновременно в нескольких пучках монохроматического излучения с различными частотами ω_i (где i - номер пучка), выходящих с поверхности слой связи - окружающая среда под углами где и n_i - действительная часть эффективного показателя преломления ПЭВ и абсолютный показатель преломления окружающей среды на данной ω_i, соответственно.

Таким образом, изобретение позволяет отказаться от использования в ПЭВ-микроскопии источника внешнего излучения и получать при этом более корректную, не искаженную зондирующим излучением информацию о поверхности образца. Кроме того, регистрация излучения в i пучках делает возможной одновременную визуализацию разновеликих неоднородностей и выбор контраста их изображения.

Теоретическое обоснование возможности генерации ПЭВ за счет тепловых колебаний приповерхностных атомов материала образца приведено в работе [6]. Существование термостимулированных ПЭВ экспериментально подтверждено в работах [7, 8]. Однако для обнаружения микронеоднородностей в приповерхностном слое образца термостимулированные ПЭВ до настоящего времени не применялись.

Способ может быть реализован, например, с помощью устройства, схема которого приведена на фиг. 1, где цифрами обозначены: 1 - устройство накопления и обработки, 2 - матричные ФПУ, 3 - окружающая среда с диэлектрической проницаемостью ε_ср, 4 - слой связи толщиной d с диэлектрической проницаемостью ε_сл< ε_ср, 5 - образец из поверхностно-активного материала с комплексной диэлектрической проницаемостью ε = ε′+j•ε″ (где j - мнимая единица).

Устройство функционирует, и способ осуществляется следующим образом. Тепловые колебания атомов приповерхностного слоя образца 5 сопровождаются появлением переменных дипольных моментов и, следовательно, электромагнитного поля. При этом поля i мод, создаваемых поверхностными колебаниями с волновым вектором большим, чем волновые векторы плоских волны с соответствующими ω_i в материале слоя связи 4 (при d → ∞), "привязаны" к поверхности и не могут излучаться в него (излучение нарушило бы условие сохранения параллельной границе компоненты волнового вектора). Спектр этих нерадиационных поверхностных мод (ПЭВ) является непрерывным. Вследствие конечности толщины d слоя связи 4 поля некоторых ПЭВ проникают в окружающую среду 5 и, в силу выполнения условия ε_сл< ε_ср, излучаются в нее в виде набора i плоских монохроматических p-поляризованных волн, распространяющихся под углами где и n_i - действительная часть эффективного показателя преломления ПЭВ и абсолютный показатель преломления окружающей среды 5 на данной ω_i, соответственно. На пути определенного набора этих волн размещают матричные ФПУ 2, регистрирующие пространственное распределение интенсивности в поперечном сечении каждого пучка излучения. Электрические сигналы, вырабатываемые всеми ФПУ 2, поступают на устройство 1, которое, используя известные значения ϕ_oi, ω_i, n_i, ε_сл, d, ε_ср, рассчитывает распределение неоднородностей в плоскости поверхности образца.

В качестве примера рассмотрим применение способа для контроля процесса химической полировки высокоотражающих металлических зеркал с помощью выше описанного устройства, реализующего заявленный способ. После шлифовки подложка зеркала полируется мелким абразивом. В результате ее приповерхностный слой толщиной h≈50-100 мкм оказывается зашаржированным абразивом. Зашаржированный слой удаляют методом химической полировки [9]. Предлагаемым способом можно определить момент прекращения химической полировки, когда этот слой будет полностью снят, т.е. когда h=0. В диапазоне λ_o= 590÷850 мкм абразивные частицы, применяемые при финишной полировке, имеют показатель преломления n_a≈2,1. В качестве подложки (образца) выберем алюминий, слоя связи - слой воды (n_сл= 1,33) толщиной d=0,60 мкм, окружающей среды - бензол с n_ср=1,50 [5]. Локализацию и регулирование толщины d жидкого слоя связи можно осуществлять с помощью подвижного герметичного барьера, описанного в прототипе. Детектирование термостимулированных ПЭВ будем осуществлять на λ₀₁= 0,59 мкм, λ₀₂= 0,65 мкм и λ₀₃= 0,85 мкм. Глубина проникновения поля ПЭВ в воду на этих λ_o превосходит 0,60 мкм (выбранная толщина слоя связи), поэтому соответствующие ПЭВ преобразуются в плоские волны, распространяющиеся в бензоле. Для чистой поверхности Al образца эффективный показатель преломления ПЭВ на что соответствует углам излучения плоских волн в бензол ϕ₀₁= 64^°15′, ϕ₀₂= 63^°45′, ϕ₀₃= 63^°15′. Контраст изображения абразивных частиц рассчитаем по формуле где I_max - интенсивность излучения I плоской монохроматической волны с λ_oi, генерируемой термостимулированными ПЭВ в бензол под углом ϕ = ϕ_oi, при данной толщине d слоя связи и h=0, I_min - интенсивность излучения с λ_oi под углом ϕ_oi при h → ∞ (можно считать I_min≈0); I - текущее значение интенсивности излучения при ϕ = ϕ_oi и h≠0.

На фиг. 2 приведены расчетные зависимости K(h) для выше описанного примера и указанных значений λ_oi и ϕ_oi. Анализ хода этих зависимостей показывает, что при λ₀₁= 0,59 мкм контраст изображения частиц достигает своего максимального значения 0,63 при h=25 нм. Это означает, что при выполнении ПЭВ-микроскопии Al образца предложенным способом абразивные частицы с размером h>25 нм неотличимы друг от друга. При наблюдении поверхности образца в пучке излучения с λ₀₂= 0,65 мкм глубина резкости (т.е. возможность дифференциации размера частиц абразива) повышается до 35 нм, а при λ₀₃= 0,85 мкм - до 50 нм. Отметим, что отличие максимального значения K от единицы объясняется тем, что при фиксированной толщине d слоя связи равенство I_max=1 может быть обеспечено только для излучения с определенной λ_o.
Источники информации.

1. Тищенко А. А., Никитин А.К., ПЭВ в оптической микроскопии// Вестник РУДН (сер. "Физика"), 1993, Т. 1, N 1, с. 114-121.

2. Girard C., Plasmon resonance and near-field optical microscopy// Applied Optics, 1992, v. 31, N 25, p. 5380-5387.

3. Specht M., Pedarnig J.D., Heckl W.M. et al., Scanning plasmon near-field microscope//Physical Review Letters, 1992, v. 68, N 4, p. 476-479.

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

5. Никитин А.К., Способ исследования поверхностей твердых тел//Патент РФ на изобретение N 2097744, Бюл. N 33 от 27.11.97 г. (Прототип)
6. Агранович В.М., Кристаллооптика поверхностных поляритонов и свойства поверхности//УФН, 1975, Т. 115, N 2, с. 199-237.

7. Виноградов Е. А. , Жижин Г.Н., Мальшуков А.Г. Термостимулированное излучение поверхностных полиритонов//ЖЭТФ, 1977, Т. 73, Вып. 4, с. 1480-1485.

8. Виноградов Е. А., Жижин Г.Н., Юдсон В.И. Термостимулированное излучение поверхностных поляритонов//В книге "Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред" под ред. В.М. Аграновича и Д.Л.Миллса. - М., 1985. - с. 105-131.

9. Тищенко А. А. , Одинец З.К., Козмина Э.Я. и др. Полировальное химическое травление//Обзор N 4688, М.: ЦНИИИиТЭИ, 1988, 81 с.

Изобретение относится к контролю качества поверхности оптическими методами и может найти применение в оптическом приборостроении, например, для контроля качества подготовки поверхностей подложек интегрально-оптических устройств, лазерных зеркал и т.д. Сущность изобретения заключается в том, что в способе исследования поверхности твердого тела, включающем формирование на исследуемой плоской поверхности образца из поверхностно-активного материала однородного слоя связи толщиной меньше глубины проникновения поля поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), генерируемых на границе слой связи - образец, в материал слоя, и регистрацию пространственного распределения интенсивности p-составляющей излучения, выходящего с поверхности слой связи - окружающая среда, регистрируют излучение ПЭВ, генерируемых тепловыми колебаниями атомов приповерхностного слоя образца, одновременно в нескольких пучках монохроматического излучения с различными частотами, выходящих с поверхности слой связи - окружающая среда под углами, рассчитанными по формуле

где i - номер пучка;
и n_i - действительная часть эффективного показателя преломления ПЭВ и абсолютный показатель преломления окружающей среды на данной частоте соответственно.

Изобретение позволяет получать более корректную, не искаженную зондирующим излучением информацию о поверхности образца. Кроме того, регистрация излучения в i пучках делает возможной одновременную визуализацию разновеликих неоднородностей и выбор контраста их изображения. 2 ил.

Способ исследования поверхности твердого тела, включающий формирование на исследуемой плоской поверхности образца из поверхностно-активного материала однородного слоя связи толщиной меньше глубины проникновения поля поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), генерируемых на границе слой связи - образец, в материал слоя и регистрацию пространственного распределения интенсивности p-составляющей излучения, выходящего с поверхности слой связи - окружающая среда, отличающийся тем, что регистрируют излучение ПЭВ, генерируемых тепловыми колебаниями атомов приповерхностного слоя образца, одновременно в нескольких пучках монохроматического излучения с различными частотами, выходящих с поверхности слой связи - окружающая среда под углами, рассчитанными по формуле

где i - номер пучка;
и n_i - действительная часть эффективного показателя преломления ПЭВ и абсолютный показатель преломления окружающей среды на данной частоте соответственно.