 |
Результаты измерений элементов структуры
|
|
|
|
Результаты измерений элементов структуры
Таблица 6. 1
| № | di, мкм | 
| 
| 
| ∆ dсум |
|
|
|
|
| ||
8. Убрать образцы и детали микроскопа на место и выключите осветитель.
9. Снять конденсорную насадку с объективов, определить по маркировке параметры объективов, в том числе апертуру Аоб.
6. 5. Обработка результатов измерений
1. Вычислить среднее значение из n измерений 
2. Определить среднеквадратичную ошибку среднего арифметического 
3. Задать значение надежности (в ЛР обычно берут P = 0. 95).
4. Определить коэффициент Стьюдента t (табл. П1) для заданной надежности P и числа степеней свободы к=n-1. Найти доверительный интервал (погрешность измерения) 
5. За величину погрешности прибора δ принять половину цены деления шкалы окуляр-микрометра. Если величина погрешности результата измерения Δ x окажется сравнимой с величиной погрешности прибора δ , то в качестве границы доверительного интервала взять. 
6. Если одна из ошибок меньше другой в три или более раз, то меньшую отбросить. Окончательный результат записать в виде d 
7. Оценить относительную погрешность результата измерений
8. Рассчитать площадь элемента A и относительную погрешность измерения площади 
9. Пользуясь формулой для разрешающей способности рассчитайте разрешающую способность микроскопа при различных длин волн света в диапазоне от 200 до 800 нм через 50 нм., результаты расчета представьте в табл. 2. 2. и в виде графиков зависимости разрешающей способности микроскопа от длины волны.
Зависимость разрешающей способности микроскопа от длины волны света
Таблица 6. 2
| №
| Аоб1= | Аоб2= | ||||
| λ | ε | λ | ε | |||
Контрольные вопросы
1. В чем проявляется волновая природа света?
2. Опишите устройство биологического микроскопа и укажите назначение его основных частей.
3. Изобразите ход лучей в микроскопе.
4. Дайте определение параметрам: предел разрешения и разрешающая способность микроскопа, апертурный угол объектива.
5. Какое максимальное увеличение используется в оптических измерениях? Почему?
6. Укажите способы увеличения разрешающей способности микроскопа.
7. Как влияет размер апертурной диафрагмы на изображение?
8. Как влияет размер полевой диафрагмы на изображение?
9. Какие лучи используются при светлопольном режиме? При темнопольном режиме?
10. Изобразите ход лучей в микроскопе для светлопольного и темногопольного режима.
11. Какие элементы БИС лучше видны в темнопольном режиме? Почему?
12. Для чего используется темнопольный режим работы микроскопа7
Лабораторная работа 7
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ПРАКТИКЕ
Цель работы - ознакомление с применением явления интерференции света в практике технических измерений, изучение принципа действия интерференционного микроскопа, получение навыков измерением глубины рельефа микрообъектов и толщины тонких пленок интерференционным методом.
7. 1. Объекты исследований
№1 Полированная металлическая деталь.
№ 2 Полированная поверхность кремния.
№ 3 Поверхность кремния, обработанная травлением.
№ 4 Поверхность пластины кремния с микроструктурой. Данный объект представляет собой пластину кремния, в которой сформированы области в различным типом проводимости, поверхность покрыта слоем окисла кремния (прозрачным) с различной толщиной (рис. 7. 1).
|
|
|
Рис. 7. 1. фрагмент структуры объекта №4
7. 2. Теоретические сведения
7. 2. 1. Интерференция света
Интерференцией света называют взаимодействие двух и более световых волн, в результате которого имеет место усиление и ослабление первоначальной интенсивности света, причем изменение интенсивности зависит от разности фаз между интерферирующими волнами. Для получения устойчивой картины интерференции взаимодействующие волны должны быть когерентны, т. е. иметь одинаковую частоту и постоянную разность фаз. Вследствие интерференции будет происходить перераспределение интенсивности (энергии) суммарных колебаний в пространстве и в каждой точке интенсивность будет иметь вполне определенное и постоянное значение, которое может оказаться как больше, так и меньше суммы интенсивности отдельных волн. В случае некогерентных волн перераспределения интенсивности не происходит и суммарная интенсивность колебаний равно просто сумме интенсивности от всех источников. Естественные источники света излучают поток некогерентных волн. Для получения когерентных волн чаще всего используют разделение пучка света, излучаемого источником, на два или более. Разделение осуществляют на экранах с отверстиями, светоделительных оптических элементах. Рисунок 7. 2. иллюстрирует интерференцию на экране с двойной щелью.
| Рис. 7. 2. Интерференция на двойной щели |
Согласно принципу Юнга любая точка пространства, до которого дошла световая волна, становиться источником вторичных волн. Свет из точечного источника (малое отверстие) проходит через два равноудаленных отверстия экрана, являющихся двумя когерентными источниками S1 и S2 (вторичными). Интерференционная картина наблюдается на экране, расположенном на некотором расстоянии D параллельно плоскости экрана с отверстиями. Усиление и ослабление света в произвольной точке М экрана зависят от разности фаз приходящих в эту точку лучей, которая определяется разностью хода этих лучей. В результате на экране наблюдается интерференционная картина в виде чередования светлых и темных областей (полос). Х – ширина интерференционной полосы.
7. 2. 2. Устройство микроинтерферометра
|
|
|
Воспользовавшись явлением интерференции световых при помощи светового микроскопа можно не только получить увеличенное изображение поверхности объекта, но и восстановить рельеф этой поверхности. Иными словами, необходимо обеспечить в микроскопе регистрацию не только амплитуды отраженной от объекта световой волны, но и ее фазы. Микроскопы, реализующие эту функцию, называются микроинтерферометрами. В них обеспечивается наличие опорной волны, с которой будет сравниваться волна, отраженная от объекта. Для создания опорной волны используется еще один микрообъектив и зеркало, которые располагаются в горизонтальном плече интерферометра (рис. 7. 3). По сути, прибор представляет собой два микроскопа с общим тубусом. Один формирует изображение поверхности объекта, второй – изображение поверхности опорного зеркала M. Важной деталью является то, что у этих двух микроскопов один источник излучения S и, следовательно, формируемые в них изображения могут быть взаимно когерентными и при определенных условиях формировать интерференционную картину. Вид этой интерференционной картины несет информацию о различиях в рельефе и структуре контролируемой и опорной поверхностей.
Рис. 7. 3. Оптическая схема интерферометра
Это позволяет получить увеличенное в нужное число раз изображение интерференционной картины в поле зрения микроскопа, наложенное на изображение объекта, и измерять координатным методом вырисовывающиеся таким образом неровности с помощью обычного винтового окулярного микрометра. Высота неровности определяется путем сравнения размеров неровностей профиля с шириной интерференционной полосы. Расстояние в одну полосу соответствует размеру неровности профиля поверхности, равному половине длины волны света, т. е. обычно 0, 275 мкм.
В качестве источника излучения используется протяженный источник белого света S - лампа накаливания. Осветительная система микроинтерферометра, состоит из коллектора L1, апертурной диафрагмы A, полевой диафрагмы F и конденсора L2. Система устроена таким образом, что формирует изображение источника так, что объект Obj и опорное зеркало M освещаются параллельными пучками лучей, исходящими от разных точек источника и имеющих различный наклон относительно оптической оси, поскольку источник света имеет конечные размеры. Светоделитель позволяет получить два вторичных источника, излучения которых являются когерентными. Поскольку светоделительная пластина вносит разность в длину хода лучей в горизонтальном и вертикальном плече микроскопа, то для уравнивая этих длин в одно из плечей вводится компенсационная пластина (на рисунке не показана). В обратном ходе лучей микрообъективы MO1 и MO2 строят изображения, соответственно, объекта Obj и зеркала M в бесконечности. Предметное и опорное оптические поля интерферируют, образуя в бесконечности изображение с интерференционными полосами. В фокальной плоскости линзы L3 происходит точное наложение интерференционных картин от всех пар точек источников, что приводит к формированию контрастной результирующей интерференционной картины При помощи линзы L3 это изображение переносится в фокальную плоскость окуляра O. При этом изображения поверхности объекта, поверхности опорного зеркала и плоскость локализации интерференционных полос совмещены в одной плоскости.
|
|
|
Смещение объектива МО2 относительно горизонтальной оси позволяет изменять длину хода в горизонтальном плече, что приводит к изменению периода интерференционных полос (одновременно происходит их поворот).
Если вместо зеркала в предметном плече интерферометра находится объект, имеющий неровную поверхность, то в разности хода интерферирующих полей появляются локальные изменения, в результате чего в том месте, где есть неровность поверхности полосы сместятся. по виду искривления полос можно судить о высоте, или глубине неровности. Высота ступеньки рельефа Н определяются по формуле H=h2/h1∙ λ /2, где h2 и h1В– высота неровностей и ширина интерференционной полосы (расстояние между серединами или краями двух соседних темных или светлых полос) в делениях круговой шкалы барабана винтового микрометра; λ - длина волны света, применяемого в измерениях (рис. 7. 4) 
Рис. 7. 4. Идеализированная интерференционная картина объекта с неровностями поверхности
При проведении измерений в белом свете в качестве значения λ берут среднее значение длины волны видимого диапазона λ = 550нм.
При работе с белым светом все измерения производятся по двум черным полосам (максимальной интенсивности). Величина интервала между полосами h2 выражается числом делений барабанчика окулярного микрометра. Для большей точности измерения наводку нити перекрестия лучше всего производить по середине, а не по краю полосы.
|
|
|
7. 2. 3. Интерференция в тонких пленках
При освещении тонкой пленки параллельным световым пучком происходит отражение света как от верхней, так и от нижней границы пленки (рис. 7. 5). Отраженные лучи интерферируют. Результат интерференции зависит от разности хода, который в свою очередь определяется толщиной пленки. Волны с длиной волны, отвечающей условию максимума усиливаются, волны с длиной волны, отвечающей условию минимума – гасятся. При освещении белым светом цвет пленки определяют те волны спектра, которые усиливают друг друга. Таким образом цвет, тонкой пленки будет определяться ее толщиной.
Рис. 7. 5. Интерференция в тонкой пленке.
7. 3. Оборудование и приборы для выполнения ЛР
В лабораторной работе используют:
· Микроинтерферометр МИИ-4.
· Винтовой окулярный микрометр
Внешний вид и элементы управления микроскопом МИИ-4 представлены на рис. 7. 6.
Рис. 7. 6. Внешний вид и элементы управления микроинтерферометра МИИ-4
Полая цилиндрическая колонка 2 с элементами оптики крепится на основании 1. Сверху располагается предметный столик 1, который крепится стопорным винтом 5 и может вращаться и перемещаться с помощью микрометрических винтов 4. На колонке располагается окулярная головка 6, куда может вставляться винтовой окуляр-микрометр. Блок осветительной системы 9 включает в себя осветитель 8, блок светофильтров 10, диафрагма ширины интерференционных полос (одновременно происходит их поворот интерференционных полос (одновременно происходит их поворот), винт 14 смещает интерференционную картину в поле зрения.
7. 4. Порядок выполнения ЛР
7. 4. 1. Измерение высоты рельефа
1. Включить лампу осветителя с помощью тумблера на блоке питания и поместите испытуемый образец на предметный столик исследуемой поверхностью вниз (предметный столик можно с помощью микрометрических винтов перемещать в горизонтальной плоскости в двух взаимно-перпендикулярных направлениях).
2. Поворотом рукоятки 12 направо перекрыть световой пучок, идущий от эталонного зеркала, и вращением микрометрического винта 7 сфокусировать прибор на испытуемую поверхность. Внимание! Перемещение головки нужно осуществлять в очень небольших пределах. Необходимое освещение и глубину резкости изображения регулируют с помощью апертурной диафрагмы, расположенной за осветителем.
3. Включить горизонтальное плечо интерферометра рукояткой 12. Если интерференционные полосы отсутствуют, то с помощью винта 14 их необходимо найти. При наблюдении интерференционной картины в белом свете в поле зрения видна, белая (ахроматическая) полоса, по обеим сторонам которой расположены две темные полосы. Кроме того, симметрично ахроматической полосе располагаются по 3-4 цветные полосы с каждой стороны. Ширину интерференционных полос и их поворот изменяют путем децентрирования объектива рукояткой 13.
4. Рассмотреть последовательно образцы №№ 1-3- и зарисуйте в журнале интерференционную картину каждого образца.
5. Расположить на предметном столике образец №4 и получите четкое изображение фрагмента структуры и интерференционную картину.
6. Установить максимальную ширину полос и, поворачивая предметный столик расположите элементы структуры перпендикулярно интерференционной картине.
7. Перемещая образец микровинтами выберите участок структуры с 3-4-мя ступеньками рельефа. Обратите внимание на то, что элементы имеют разный цвет.
8. Окуляр микрометр следует повернуть таким образом, чтобы одна из нитей перекрестия совпала с направлением интерференционных полос, а другая — с направлением границы элемента структуры. Закрепите винтовой окулярный микрометр зажимным винтом.
9. Выбрать несколько (к) чётко видимых интерференционных полос. Перемещая перекрестие винтового окуляр микрометра от первой темной полосы до последней выбранной, записать в табл. 7. 1 показания барабана микрометрического винта, соответствующие первому N1 и второму N2 отсчёту.
10. Определить ширину интерференционной полосы 
Таблица 7. 1
|
|
|
