Лазерные сканирующие микроскопы (ЛСМ)

Поверхность объекта или образца в ЛСМ по точкам сканируется сфокусированным лазерным пучком. Оптическое изображение формируется электронной системой на экране дисплея. Сканирующий лазерный пучок фокусируется в пятно, размеры которого в каждом конкретном случае соответствуют требуемому разрешению.

С помощью ЛСМ можно формировать изображения с более высокими разрешениями и большей глубиной резкости, чем в традиционной микроскопии, в частности, с использованием различных специфических методов типа динамической фокусировки. Кроме того, методы лазерного сканирования позволяют регистрировать свет, диффузно рассеиваемый малыми деталями поверхности, размеры которых гораздо меньше поперечного сечения падающего сканирующего лазерного пучка (например, с помощью сканирующего пучка лазерного излучения, сфокусированного в пятно размером 50... 100 мкм, можно обнаружить микрометровые дефекты на поверхности контролируемых изделий).

Сканирование поверхности объекта лазерным пучком представляет собой активный метод, не зависящий от условий внешнего освещения. Благодаря этому можно оптимизировать многие процессы управления и параметры работы аппаратуры. Эти процессы можно разделить на три категории: регистрация, облучение и сканирование. Для повышения информационного содержания выходного сигнала при сканировании объекта отраженное и рассеянное от его поверхности излучение можно регистрировать различными способами, например одним или несколькими детекторами, с использованием волоконно-оптических коллекторов. Облучение можно оптимизировать изменением интенсивности света и размеров светового пятна, а сканирование - выбором соответствующих отклоняющих устройств.

Если на фотоприемнике собираются периферические рассеянные объектом лучи, то изображение на экране дисплея получается в режиме темного поля, а если собираются центральные зеркально отраженные - то в режиме светлого поля. Одни дефекты контролируемой поверхности лучше % выявляются при наблюдении в режиме светлого поля, другие - в режиме темного поля.

Подобная схема применяется для контроля пластин интегральных схем, т.е. пластин, которые прошли различные фазы обработки и имеют рисунки, вытравленные или нанесенные на их поверхности. Поиск дефектов в пластинах с нанесенным рисунком чрезвычайно труден из-за сложности самих рисунков. С точки зрения контроля качества важен поиск не только инородных дефектов микрочастиц, пылинок, царапин, но и дефектов самого рисунка, их взаимного расположения, целостности и т.д. Такая система позволяет сформировать и выделить изображения частиц на поверхности с нанесенным рисунком схемы. Особенности формы частиц обусловливают значительное рассеяние света под очень большими углами. В то же время интенсивность высоких порядков дифракции на рельефных деталях рисунка мала. Окончательно сигналы, связанные с частицами и со структурой рисунка, разделяются схемой сравнения, вводимой после фотоприемника. Это существенно улучшает визуальный поиск дефектов на пластинах интегральных схем.

Время формирования кадра в ЛСМ составляет 0,1... 1с. Для исключения мерцания изображения в нем использовано цифровое графическое ОЗУ, сигнал с которого через процессор микроЭВМ или через специальный контроллер поступает на телевизионный экран видеодисплея в реальном времени (25 кадр/с). Таким образом, ЛСМ реализует режим медленной записи с телевизионным темпом вывода сформированного изображения, он позволяет изменять масштаб изображения, управляя режимом сканирования, а также наблюдать объект в люминесцентном свете (при этом прибор работает с УФ гелийкадмиевым лазером). Для полупроводниковых структур можно получать их «фотоответные» изображения. В этом режиме объект сканируется лазером, а сигнал снимается непосредственно с контактов, нанесенных на само изделие. Это позволяет определить равномерность концентрации носителей в материалах типа кремния, германия и т.п.

В наиболее совершенных лазерных микроскопах применяют системы автофокусировки. Большинство современных ЛСМ снабжено автоматизированной системой обработки изображений (АСОИЗ). Матрица чисел, хранящаяся в цифровой памяти ЛСМ, адекватно отображает яркостное поле объекта, т.е. его изображение в заданных условиях освещения.

С помощью АСОИЗ проводят предварительную (рутинную) обработку изображения и вычисляют поля каких-либо величин (фотопроводимости, шероховатости, показателей преломления и т.п.), связанных с оптико-физическими характеристиками объекта функциональными или корреляционными зависимостями. Основные задачи рутинной обработки, решаемые в реальном масштабе времени с помощью встроенных ЛСМ процессоров и блоков постоянной памяти: измерение размеров и координат объектов зрения (обычно с помощью маркера, перемещаемого оператором), вывод на экран яркостных профилей вдоль любой строки изображения, выделение на изображении линий равного уровня яркости (изофат), вывод гистограмм распределения яркостей по элементам изображения, выполнение арифметических операций под двумя изображениями (одно из которых обычно принимается эталонным), двухмерное дифференцирование и корреляционная обработка изображений, их цифровая пространственная фильтрация и т.д. Обычно эти операции выполняются в интерактивном режиме по воле оператора. Задачи вычисления полей физических величин, распознавания образов (определение типа, классификация дефектов) и тому подобное решаются с помощью персональной ЭВМ, связанной с ЛСМ.

В компьютерных фазовых ЛСМ с интерферометрической регистрацией микрорельефа поверхности, оснащенным прецизионным пьезоприводом, достигнута чувствительность порядка 1 нм к перепадам высот микронеровностей при латеральном (в плоскости образца) разрешении порядка 1 мкм.

Разработанные в последнее время сканирующие микроскопы ближнего поля имеют разрешение до 0,01 l(l - длина волны света источника). Это достигается за счет облучения объекта через микродиафрагму и регистрацией прошедшего света чувствительным фотодетектором. Толщины образцов - порядка долей мкм.

Дата добавления: 2015-09-06