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尼康顯微鏡:多光束幹涉的原理與應用

2013-10-16  發布者:admin 

根據境靠近的兩個表麵的高反射率,使用透鏡,會聚光束可能經曆了多次的反射表麵之間的多光束幹涉的技術。

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法布裏 - 珀羅幹涉儀是利用在一種裝置,其中的兩個相對的表麵是平行的。如果兩個平麵不平行,則幹涉條紋出現局部的楔形空間中。中遇到的楔形空間中的雙光束幹涉的情況基本上是相同的。

多波束幹擾模式的特點

在多光束幹涉,幹涉條紋的廣度變得極其狹窄。也就是說,“地圖”上的輪廓線變得狹窄和相應的表麵形貌測量的精度提高。的最佳條件都滿足時,可在多波束幹涉條紋的寬度是1/50,在兩束法相應的廣度的順序,因此,精度提高約50的一個因素。因為,在文章中所討論的雙光束幹涉,水平的差異,利用該技術測量的極限是約25納米,在多光束幹涉測量的上限值,因此,0.5納米(5埃)的順序。

所示,圖1(a)所示,當入射光進入楔形空間,多個反射的相對表麵之間發生。的光束到達圖中的點 x 包括非反射的光束(1)的兩次反射的光束(2),,四倍反射的光束(3),在各反射,按照強度下降受反射率的表麵的反射率,因此在多個束最終由透鏡收集的光的數量。多次反射的光束造成的幹擾,更細的和更清晰的邊緣的數量越多。圖1(b)示出幹涉條紋的寬度,其中對樣品表麵和參考板(參考反射鏡)的反射率是相同的情況下的反射率之間的關係。從圖中可以看出,反射率確定的幹涉條紋的廣度。

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在圖1(c)所示的雙光束幹涉條紋和至90%的反射率相對應的多光束幹涉條紋的強度分布之間的比較。的雙光束幹涉條紋的形式(COSθ)E2的脊和穀的寬度幾乎是相同的。另一方麵,較低的曲線,圖1(c)所示,多光束幹涉條紋顯示大幅峰的強度分布的。在雙光束幹涉的情況下,連續的幹涉條紋出現定位在每一個電平變化的半波長。但是,由於窄條紋,條紋之間的區域的信息可能是不可用的。

高精度測量條件

出發從艾裏式的平行平麵之間的多重反射,塞繆爾托蘭斯基進行了詳細的分析出現在一個楔形空間中的多個幹涉條紋的強度分布,並從本研究的結果推導出的條件下,為獲得最高的測量精度,總結了以下五點

  • 塗層表麵的膜的高反射率和低吸收的基準板。

  • 塗覆試樣的均勻的膜的高反射率,忠實地遵循與原試樣的地形。

  • 使兩個表麵之間的(中:圖1(a))的距離盡可能小,在大多數10毫米中,優選的光的波長的順序。

  • 準直的入射光束的並行性可在3度的範圍內。

  • 使入射光密切盡可能垂直基準板。

最後的兩個條件是比較容易實現的前提是前一個滿意。綜上所述,基準板的表麵和試樣應被帶進接近,盡可能地減少在圖1(a)中的距離t,和參考反射鏡的表麵上應塗銀氣相沉積或的多層膜的低吸收。

光學係統的多光束幹涉

多光束幹涉的光學係統的基本功能是允許觀察出現在由兩個表麵形成的楔形空間的幹涉圖案。的反射所產生的幹涉條紋,可以在兩種可能的方式,用顯微鏡進行觀察。圖2示出了用於測量的膜的厚度,等適當的光學係統,利用一個低功率的物鏡。因為低功耗的目標的工作距離是比較長的,半反射鏡的目標和試樣之間可以插入。此外,低功耗目標擁有一個大景深的優勢,它允許在很寬的視野觀察。

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雖然低功率透鏡具有一定的好處,的高倍率物鏡試樣分鍾的地形和起伏特征的測量是必要的。有了這樣的目標,因為工作距離被減少到小於1毫米,圖3中所示的光學係統的不同,必須采用。這是一個普通的反射鏡的光學係統中。它是理想的後側焦點的光點的目標收斂,從而使光束的方向垂直於試件表麵。市售的物鏡還算適合於這一目的。

原用於光譜類型低壓汞燈作為光源,這種幹涉係統。使用這種類型的燈,尖銳的譜線可以以下方式獲得,附加地,可以使用的顏色的頻譜安排的幹涉條紋來識別順序。這些燈的缺點是低的照度。

然而,近日,明亮的鹵素燈結合幹擾濾波器已經進入一般使用幹涉。消色差物鏡,綠(546納米)的單色光是最昂貴的照明類型,並提供了優異的成績。

試樣製備

試樣充分的準備是必不可少的,以獲得最高的精度在多光束幹涉。因為要測量的原子尺寸的水平差異,從表麵上除去汙物必須。因此,表麵應徹底清洗,但機械強度弱的情況下,表麵上是,或標本是化學性質不穩定。同樣的要求適用於清洗的參考平。商業銷售的多光束幹涉套標本(清洗這些板塊可能會侵蝕塗料的反射率相匹配的各種反射率的多層光學平麵提供了一個選擇,因此需要格外小心)。的試樣的反射率相匹配的單位允許使用多光束幹涉條紋的形成,但是,正如圖1(b)中所示,邊緣的銳度取決於試樣的反射率和基準板。因此,賦予高反射率的兩個表麵是最有效的裝置,確保形成一個獨特的圖案。

multibeam figure4

尤其是小標本後應清洗首先被安裝在玻片上與加拿大香脂或其他安裝介質。化學和機械耐用材料,如玻璃,石英,應清洗通過以下步驟

  • 合適的表麵活性劑(例如,不同的洗滌劑,用於廚具)上塗抹少量脫脂棉一疊,並劇烈洗滌,從試樣中除去汙垢。超聲波清洗也是適合用於此目的。然而,油脂不容易去除沒有擦洗。

  •  

  • 弄濕的脫脂棉一疊與過氧化氫和清潔中相同的方式,在上述步驟中所描述的。

  •  

  • 清潔的試樣中相同的方式,用蒸餾水。

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  • 徹底幹脫脂棉擦拭表麵,直到霧瞬間消失後,表麵上的呼吸。

  •  

通過真空沉積具有低反射率的試樣應被塗覆的材料如鋁,銀或金。銀是特別容易申請,而且是高反射率。

的真空沉積銀膜具有的厚度為50-100納米的是適當的。塗層應進行快速氣相沉積,以在20至30秒內完成。為了做到這一點,被放置足量的銀的汽相澱積中的船,試樣和船之間的快門。後銀熾熱的白色時,快門打開,然後關閉,控製塗層的厚度通過改變快門打開的時間,提供一個簡單的方法。在此設置中,試樣和船之間的距離應至少為20至30厘米。

如果沉積銀膜的厚度大約是50-100納米,那麽這部電影將出現青紫觀看時,一個明亮的光源。過厚的膜的表麵,其行為像一麵鏡子,將不發送光。

基準板的銀膜的質量可以評價如下。如果兩個這樣的板的鍍銀表麵相對,並對著一個楔子,如在圖4中示出的,明亮的光源被認為通過楔,然後將出現類似的圖像數據的序列的光源。應計算這些圖像的數目,25個或更多的存在表示令人滿意的汽相澱積膜,具有至少90%的反射率。作為一個粗略的標準,更慢的圖像的顏色的變化從藍色到紅色的電影,更好的質量。

multibeam figure5

汽相澱積的銀膜,可以很容易地除去的有機溶劑(如酒精,苯,二甲苯,丙酮等)。過氧化氫是適合用於去除氣相沉積銀膜沒有影響苦瓜安裝的安裝的晶體的標本。二手照相板,或類似的材料,具有精確均勻的表麵,可受聘為光學單位。在許多商業產品,反射率增加的多層塗層,和比較硬的塗層被施加到保護參考平坦的表麵。銀氣相沉積參考單位使用後丟棄,,但多層塗層板,可反複使用。但是,如果表麵甚至輕微劃傷或受到其它損壞,板不能用於幹涉。

多光束幹涉的實際應用

當表麵形貌測量的多光束幹涉法,試樣和基準板,在某些點接觸。因此,這種方法並不適用於敏感的汙染或非常柔軟的試樣的標本。此外,由於某種原因不能塗銀標本是不適合的。

正如前麵所解釋的幹涉條紋的清晰度,最接近的可能的接近的試樣和基準板條件的討論是必要的。為了實現這一點,具有三個螺釘的夾具被夾緊的試樣和參考單位,必須進行調整,通過顯微鏡觀察的幹涉條紋。在雙光束幹涉的情況下,該模式必須被調整,以使出現條紋垂直於要被測量的步驟,和條紋的分散性也被調節。如果至少有三個條紋出現在視場,可以進行測量。

從顏色布置的形成由白色光照明下,在雙光束幹涉條紋,幹涉條紋的連續性,可確定。實施例都在圖5示出所涉及的推理。假設觀察到的幹涉圖案,使用546納米的過濾器,光譜儀采用不同的低壓汞燈,和條紋的移位出現在圖5中所示的(一)。顯然,條紋的上部和下部的行已被被相互移位的表麵上的步驟,但並不明顯條紋的連續性原始方式進行。如果單色過濾器被去除,與黃色和橙色的光譜條紋的幹涉條紋的出現,和條紋的適當的連接可以是通過比較的彩色條紋的布置確定。在圖5(b)中,B-B'表示的順序相同的順序的幹涉條紋,而在圖5(c)中的事實,BC'代表幹涉條紋相同的順序同樣顯而易見的安排,通過檢查彩色條紋。

測量水平的差異顯示條紋的移位的量的方法,類似於上的文章中所述的雙光束幹涉儀,在圖7(c)中示出該節。然而,在多光束幹涉的情況下,幹涉條紋的間距不一定是等距離的,因此,高度是通過以下的方法計算。的高度,h 一個步驟,在圖5(b)中,例如,可以由下式確定

h = 2BB'/(A'B' + B'C') × λ/2 = BB'/(A'B' + B'C') × λ.

同樣地,對於圖5(c)中所示的例子中,相應的通式為

h = 2BC'/(B'C' + B'C') × λ/2 = BC'/(B'C' + B'C') × λ.

在圖6(a)中,提出的凹坑,稱為trigons(三角形的凹部),在天然金剛石阿多光束幹涉顯微照片的較大的凹部10-20納米的深度,而較小的深度是2-4納米的順序。

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圖6(b)示出多光束幹涉圖案,形成trigons,利用透射光,在這種情況下,由於鑽石本身的透射光,可以觀察到。傳播的多光束幹涉顯示明亮的條紋。與此相反,不透明的標本,顯示暗條紋形成的圖案。通過具有雙折射率的樣品透射的光形成極其複雜的幹涉圖樣,因此不適合用於測量透射光通過這樣的試樣。在這樣的情況下,仍可以通過以下方式獲得可靠的測量地形凹凸的反射光的幹擾。

相關文章中所討論的雙光束幹涉,高分散性幹擾允許利用強度變化,由於高度的極其微小的差異。由圖7(a)所示的天然金剛石trigons的例子中說明了這一點。在圖6(a)所示的表麵顯微鏡照片中所示的幾乎是相同的,但在該實例中,對著試樣和基準板的表麵,這樣,在小的幹涉條紋形成一個楔形。然而,在圖7(a)的圖案形成中,被定位的兩個表麵大致平行,從而散布在大麵積的單邊緣和方便詳細地觀察。分鍾級別變化的對比顯示,可以更大程度的提高,可能比時,利用雙光束幹涉。圖7(b)中所示,dt的高程差引起的強度差的dI一個多光束的幹涉條紋的強度分布的梯度比雙光束幹涉條紋更為突然,由於微小電平變化的顯示的對比度相應的更高的靈敏度。

六角形鐵素體(磁鉛)圖6((c)和(d)條)。這是相同的晶體的雙光束幹涉的圖8(a)中的文章。在此,圖6(c)是在高放大倍率拍攝的多光束幹涉圖樣的一部分。圖6(d)是一個相襯的顯微照片,疊加後的幹涉圖案相同的圖案部分。以這種方式,可以定量地顯示水平的差異,在一個單一的照片。此外,人們可以在條紋之間的中間區補償丟失的信息,從在多光束幹涉圖案的條紋之間的間距過大的結果。

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結論

給出的例子構成一個單純的片段廣大幹涉的應用領域。但是,它被希望提供這些實施例來說明應用程序的幹涉測量各種材料的現象,如合成,溶解,斷裂,變形和膜形成的事實,允許通過其他方式,這將是很難獲得的信息的獲取。

總之,幹涉儀是一個非常簡單的,精度高的方法,並因此可用於常規用同樣的方便的辦公桌上作為一個普通的標尺。事實上,傳統顯微鏡可以立即被轉換成幹涉儀在任何時候,僅通過適當的附件安裝。



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