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尼康显微镜:多光束干涉的原理与应用

2013-10-16  发布者:admin 

根据境靠近的两个表面的高反射率,使用透镜,会聚光束可能经历了多次的反射表面之间的多光束干涉的技术。

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法布里 - 珀罗干涉仪是利用在一种装置,其中的两个相对的表面是平行的。如果两个平面不平行,则干涉条纹出现局部的楔形空间中。中遇到的楔形空间中的双光束干涉的情况基本上是相同的。

多波束干扰模式的特点

在多光束干涉,干涉条纹的广度变得极其狭窄。也就是说,“地图”上的轮廓线变得狭窄和相应的表面形貌测量的精度提高。的最佳条件都满足时,可在多波束干涉条纹的宽度是1/50,在两束法相应的广度的顺序,因此,精度提高约50的一个因素。因为,在文章中所讨论的双光束干涉,水平的差异,利用该技术测量的极限是约25纳米,在多光束干涉测量的上限值,因此,0.5纳米(5埃)的顺序。

所示,图1(a)所示,当入射光进入楔形空间,多个反射的相对表面之间发生。的光束到达图中的点 x 包括非反射的光束(1)的两次反射的光束(2),,四倍反射的光束(3),在各反射,按照强度下降受反射率的表面的反射率,因此在多个束最终由透镜收集的光的数量。多次反射的光束造成的干扰,更细的和更清晰的边缘的数量越多。图1(b)示出干涉条纹的宽度,其中对样品表面和参考板(参考反射镜)的反射率是相同的情况下的反射率之间的关系。从图中可以看出,反射率确定的干涉条纹的广度。

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在图1(c)所示的双光束干涉条纹和至90%的反射率相对应的多光束干涉条纹的强度分布之间的比较。的双光束干涉条纹的形式(COSθ)E2的脊和谷的宽度几乎是相同的。另一方面,较低的曲线,图1(c)所示,多光束干涉条纹显示大幅峰的强度分布的。在双光束干涉的情况下,连续的干涉条纹出现定位在每一个电平变化的半波长。但是,由于窄条纹,条纹之间的区域的信息可能是不可用的。

高精度测量条件

出发从艾里式的平行平面之间的多重反射,塞缪尔托兰斯基进行了详细的分析出现在一个楔形空间中的多个干涉条纹的强度分布,并从本研究的结果推导出的条件下,为获得最高的测量精度,总结了以下五点

  • 涂层表面的膜的高反射率和低吸收的基准板。

  • 涂覆试样的均匀的膜的高反射率,忠实地遵循与原试样的地形。

  • 使两个表面之间的(中:图1(a))的距离尽可能小,在大多数10毫米中,优选的光的波长的顺序。

  • 准直的入射光束的并行性可在3度的范围内。

  • 使入射光密切尽可能垂直基准板。

最后的两个条件是比较容易实现的前提是前一个满意。综上所述,基准板的表面和试样应被带进接近,尽可能地减少在图1(a)中的距离t,和参考反射镜的表面上应涂银气相沉积或的多层膜的低吸收。

光学系统的多光束干涉

多光束干涉的光学系统的基本功能是允许观察出现在由两个表面形成的楔形空间的干涉图案。的反射所产生的干涉条纹,可以在两种可能的方式,用显微镜进行观察。图2示出了用于测量的膜的厚度,等适当的光学系统,利用一个低功率的物镜。因为低功耗的目标的工作距离是比较长的,半反射镜的目标和试样之间可以插入。此外,低功耗目标拥有一个大景深的优势,它允许在很宽的视野观察。

multibeam figure3

虽然低功率透镜具有一定的好处,的高倍率物镜试样分钟的地形和起伏特征的测量是必要的。有了这样的目标,因为工作距离被减少到小于1毫米,图3中所示的光学系统的不同,必须采用。这是一个普通的反射镜的光学系统中。它是理想的后侧焦点的光点的目标收敛,从而使光束的方向垂直于试件表面。市售的物镜还算适合于这一目的。

原用于光谱类型低压汞灯作为光源,这种干涉系统。使用这种类型的灯,尖锐的谱线可以以下方式获得,附加地,可以使用的颜色的频谱安排的干涉条纹来识别顺序。这些灯的缺点是低的照度。

然而,近日,明亮的卤素灯结合干扰滤波器已经进入一般使用干涉。消色差物镜,绿(546纳米)的单色光是最昂贵的照明类型,并提供了优异的成绩。

试样制备

试样充分的准备是必不可少的,以获得最高的精度在多光束干涉。因为要测量的原子尺寸的水平差异,从表面上除去污物必须。因此,表面应彻底清洗,但机械强度弱的情况下,表面上是,或标本是化学性质不稳定。同样的要求适用于清洗的参考平。商业销售的多光束干涉套标本(清洗这些板块可能会侵蚀涂料的反射率相匹配的各种反射率的多层光学平面提供了一个选择,因此需要格外小心)。的试样的反射率相匹配的单位允许使用多光束干涉条纹的形成,但是,正如图1(b)中所示,边缘的锐度取决于试样的反射率和基准板。因此,赋予高反射率的两个表面是最有效的装置,确保形成一个独特的图案。

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尤其是小标本后应清洗首先被安装在玻片上与加拿大香脂或其他安装介质。化学和机械耐用材料,如玻璃,石英,应清洗通过以下步骤

  • 合适的表面活性剂(例如,不同的洗涤剂,用于厨具)上涂抹少量脱脂棉一叠,并剧烈洗涤,从试样中除去污垢。超声波清洗也是适合用于此目的。然而,油脂不容易去除没有擦洗。

  •  

  • 弄湿的脱脂棉一叠与过氧化氢和清洁中相同的方式,在上述步骤中所描述的。

  •  

  • 清洁的试样中相同的方式,用蒸馏水。

  •  

  • 彻底干脱脂棉擦拭表面,直到雾瞬间消失后,表面上的呼吸。

  •  

通过真空沉积具有低反射率的试样应被涂覆的材料如铝,银或金。银是特别容易申请,而且是高反射率。

的真空沉积银膜具有的厚度为50-100纳米的是适当的。涂层应进行快速气相沉积,以在20至30秒内完成。为了做到这一点,被放置足量的银的汽相淀积中的船,试样和船之间的快门。后银炽热的白色时,快门打开,然后关闭,控制涂层的厚度通过改变快门打开的时间,提供一个简单的方法。在此设置中,试样和船之间的距离应至少为20至30厘米。

如果沉积银膜的厚度大约是50-100纳米,那么这部电影将出现青紫观看时,一个明亮的光源。过厚的膜的表面,其行为像一面镜子,将不发送光。

基准板的银膜的质量可以评价如下。如果两个这样的板的镀银表面相对,并对着一个楔子,如在图4中示出的,明亮的光源被认为通过楔,然后将出现类似的图像数据的序列的光源。应计算这些图像的数目,25个或更多的存在表示令人满意的汽相淀积膜,具有至少90%的反射率。作为一个粗略的标准,更慢的图像的颜色的变化从蓝色到红色的电影,更好的质量。

multibeam figure5

汽相淀积的银膜,可以很容易地除去的有机溶剂(如酒精,苯,二甲苯,丙酮等)。过氧化氢是适合用于去除气相沉积银膜没有影响苦瓜安装的安装的晶体的标本。二手照相板,或类似的材料,具有精确均匀的表面,可受聘为光学单位。在许多商业产品,反射率增加的多层涂层,和比较硬的涂层被施加到保护参考平坦的表面。银气相沉积参考单位使用后丢弃,,但多层涂层板,可反复使用。但是,如果表面甚至轻微划伤或受到其它损坏,板不能用于干涉。

多光束干涉的实际应用

当表面形貌测量的多光束干涉法,试样和基准板,在某些点接触。因此,这种方法并不适用于敏感的污染或非常柔软的试样的标本。此外,由于某种原因不能涂银标本是不适合的。

正如前面所解释的干涉条纹的清晰度,最接近的可能的接近的试样和基准板条件的讨论是必要的。为了实现这一点,具有三个螺钉的夹具被夹紧的试样和参考单位,必须进行调整,通过显微镜观察的干涉条纹。在双光束干涉的情况下,该模式必须被调整,以使出现条纹垂直于要被测量的步骤,和条纹的分散性也被调节。如果至少有三个条纹出现在视场,可以进行测量。

从颜色布置的形成由白色光照明下,在双光束干涉条纹,干涉条纹的连续性,可确定。实施例都在图5示出所涉及的推理。假设观察到的干涉图案,使用546纳米的过滤器,光谱仪采用不同的低压汞灯,和条纹的移位出现在图5中所示的(一)。显然,条纹的上部和下部的行已被被相互移位的表面上的步骤,但并不明显条纹的连续性原始方式进行。如果单色过滤器被去除,与黄色和橙色的光谱条纹的干涉条纹的出现,和条纹的适当的连接可以是通过比较的彩色条纹的布置确定。在图5(b)中,B-B'表示的顺序相同的顺序的干涉条纹,而在图5(c)中的事实,BC'代表干涉条纹相同的顺序同样显而易见的安排,通过检查彩色条纹。

测量水平的差异显示条纹的移位的量的方法,类似于上的文章中所述的双光束干涉仪,在图7(c)中示出该节。然而,在多光束干涉的情况下,干涉条纹的间距不一定是等距离的,因此,高度是通过以下的方法计算。的高度,h 一个步骤,在图5(b)中,例如,可以由下式确定

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

同样地,对于图5(c)中所示的例子中,相应的通式为

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

在图6(a)中,提出的凹坑,称为trigons(三角形的凹部),在天然金刚石阿多光束干涉显微照片的较大的凹部10-20纳米的深度,而较小的深度是2-4纳米的顺序。

multibeam figure6

图6(b)示出多光束干涉图案,形成trigons,利用透射光,在这种情况下,由于钻石本身的透射光,可以观察到。传播的多光束干涉显示明亮的条纹。与此相反,不透明的标本,显示暗条纹形成的图案。通过具有双折射率的样品透射的光形成极其复杂的干涉图样,因此不适合用于测量透射光通过这样的试样。在这样的情况下,仍可以通过以下方式获得可靠的测量地形凹凸的反射光的干扰。

相关文章中所讨论的双光束干涉,高分散性干扰允许利用强度变化,由于高度的极其微小的差异。由图7(a)所示的天然金刚石trigons的例子中说明了这一点。在图6(a)所示的表面显微镜照片中所示的几乎是相同的,但在该实例中,对着试样和基准板的表面,这样,在小的干涉条纹形成一个楔形。然而,在图7(a)的图案形成中,被定位的两个表面大致平行,从而散布在大面积的单边缘和方便详细地观察。分钟级别变化的对比显示,可以更大程度的提高,可能比时,利用双光束干涉。图7(b)中所示,dt的高程差引起的强度差的dI一个多光束的干涉条纹的强度分布的梯度比双光束干涉条纹更为突然,由于微小电平变化的显示的对比度相应的更高的灵敏度。

六角形铁素体(磁铅)图6((c)和(d)条)。这是相同的晶体的双光束干涉的图8(a)中的文章。在此,图6(c)是在高放大倍率拍摄的多光束干涉图样的一部分。图6(d)是一个相衬的显微照片,叠加后的干涉图案相同的图案部分。以这种方式,可以定量地显示水平的差异,在一个单一的照片。此外,人们可以在条纹之间的中间区补偿丢失的信息,从在多光束干涉图案的条纹之间的间距过大的结果。

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结论

给出的例子构成一个单纯的片段广大干涉的应用领域。但是,它被希望提供这些实施例来说明应用程序的干涉测量各种材料的现象,如合成,溶解,断裂,变形和膜形成的事实,允许通过其他方式,这将是很难获得的信息的获取。

总之,干涉仪是一个非常简单的,精度高的方法,并因此可用于常规用同样的方便的办公桌上作为一个普通的标尺。事实上,传统显微镜可以立即被转换成干涉仪在任何时候,仅通过适当的附件安装。