Введение к работе
Актуальность работы.
Стремление современной науки и техники к визуализации и исследованию микрообъектов с размерами много меньшими длины волны видимого света привело к созданию и развитии электронной, рентгеновской, сканируемой туннельной и атсмг.о-склсЕсй -микроскопии,-с-помощью которых исследователям открылся мир молекулярных и атомных размеров. Перечисленные методы исследования микромира обладают массой несомненных достоинств и в силу этого они широко используются для визуализации и исследования объектов на молекулярном и атомном уровнях, при картографировании распределений электрических, магнитных, механических и тепловых свойств - и все это с разрешением в единицы и десятки ангстрем. Вместе с тем. следует помнить, что каждый из этих методов имеет свою характерную область применения и обладает такими особенностями, которьв существенно ее ограничивают. Так необходимость размещения объекта в вакууме и разрушающее воздействие на него электронного зонда ограничивают использование электронной микроскопии не только при биологических и медицинских исследованиях, но в ряде случаев и в микроэлектронике. Громоздкость и сложность аппаратурной реализации в сочетании с разрушающим воздействием на объект исследования характерны также для рентгеновской микроскопии. Сканирующая тунельная микроскопия наиболее эффективно проявляет себя только при работе с проводящими объектами, обладающими к тому же достаточно гладкой поверхностью. Перечисленные обстоятельства заставляют физиков и приборостроителей вновь и вновь обращаться к возможностям такого простого, универсального, неразрушающего и хорошо известного вида микроскопии, каким является оптическая микроскопия.
Среди приборов, предназначенных для изучения микрообъектов, а также измерения малых длин, оптические микроскопы занимают ведущее место» За длительную историю развития достигнута высокая степень их совершенства как в отношении пространственного разрешения, так и в оснащении приспособлениями, облегчающими работу оператора и расширяющими круг исследуе-
мых объектов.
Смеете с тем, в ряде исследований, выполненных в основноь в последние 15-20 лет, было показано, что возможности опти-- ческой микроскопии далеко не исчерпаны. Эти новые возможности, связанные с улучшением разрешения и повыиением-информативности, реализуется в растровых оптических микроскопа) СРОМ, в английской аббревиатуре SOM—scanning optical microscope), где осуществлен поэлементный способ построения изображений, когда сфокусированный световой пучок (зонд) последовательно освещает микрообласти объекта, близкие по размер) к его диаметру. В процессе функционирования РОМ осуществляется возвратно-поступательное перемещение Ссканирование] зонда относительно объекта Сили наоборот) таким образом, чте на наблюдаемом участке объекта образуется растр обычно телевизионного типа. Подобный ему растр синхронно формируется нг экране электронно-лучевой трубки СЭЛТЗ, служащей для наблюдения изображений. Модуляция интенсивности электронного луча в ЭЛТ производится видеосигналом от фотоприемника, воспринимающего прошедшее, отраженное или рассеянное объектом излучение.
Сажной и широко распространенной разновидностью растровы> оптических микроскопов являются РОМ. выполненные в виде системы с бегущим пятном (flying spot microscope), т.е. микроскопы с движущимся источником освещения. Аппаратурно такие источники обычно выполнены на основе ЭЛТ с малым временем послесвечения, когда немодулированый электронный луч прочерчивает на ее экране прямоугольный растр. "Бегущее" по экрану трубки световое пятно, обусловленное катодолюминисценцией, с помощью объектива проецируется на плоскость объекта.
D последнее время в РОМ стали применяться специальные ЭЛТ, в которых в качестве экрана используются монокристаллические пластины из диэлектрических соединений с примесным* центрами излучательной рекомбинации, а также проекционные электронно-лучевые приборы с экранами из полупроводниковы> соединений с прямыми межзонными переходами СквантоскопыЗ. Важной особенностью квантоскопов является то, что они могут
5 излучать в лазерном режиме.
Некоторые РОМ типа систем с бегущим пятном разработаны в в виде приставок к растровым электронным микроскопам СРЭМ), при этом для возбуждения катодолюминесценции .используется электронный зонд, сформированный в колонне РЭМ.
D связи с появлением" указанных приборов и их все более широким использованием, в частности, в технологических линиях производства интегральных схем СИС) для контроля структурных элементов суб- и микрометровых размеров возникла необходимость в исследовании физических закономерностей формирования изображений в таких системах и оценках на этой основе их предельных параметров и характеристик, а если иметь в виду системы с бегущим пятном, то помимо отмеченных проблем для них важны также детальные исследования механизма генерации излучения особенно в лазерном режиме с целью достижения максимальной однородности свечения в пределах растра, предельного разрешения и высокой эффективности функционирования.
Перечисленные соображения указывают на актуальность проведения исследований, направленных на изучение закономерностей формирования изображений и механизмов генерации излучения в изображающих системах типа систем с бегущим пятном. Значение таких исследований возрастает по мере роста объемов выпуска коммерческих образцов соответствующих микроскопов, необходимости расширения их функциональных возможностей и дальнейшего совершенствования.
Работы автора в области указанных проблем составляют содержание настоящей диссетрации.
Цель и основные задачи работы.
Целями работы являлись разработка теории формирования изображений в растровых оптических микроскопах различных типов, в том числе выполненных в виде систем с бегущим пятном, достаточно простых и эффективных методов оценки и расчета их параметров и исследование механизмов генерации лазерного излучения в полупроводниковых лазерах с электронной накачкой, применяемых в качестве источников освещения в РОМ, выполненных в виде систем с бегущим пятном.
Задачи исследования, соответствующие поставленным целям, формулировались следушшм образом:
разработка теории формирования изображений в РОМ,, основанной не на традиционном применении фурье-оптики, а на более простом и физически наглядном подходе, каким"является энер" гетический подход, использующий анализ распространения световых потоков, в том числе гауссовых пучков, через изображавшую систему,
поиск обладающих большой степенью общности методов оценки и экспериментального определения разрешения различных типов РОМ;
разработка и физическое обоснование методов повышения разрешения РОМ, в том числе микроскопов, работающих в режиме наведенного тока при визуализации электрических неоднородно-стей в полупроводниках;
физическое и математическое обоснование особенностей механизма генерации лазерного излучения в полупроводниковых лазерах с электронной накачкой на основе сульфида кадмия;
- определение границ применимости традиционного подхода к
описанию генерации излучения в полупроводниковых лазерах,
основанного на использовании представлений об однородно уши
ренной линии генерации, и вьработка рекомендаций по отбору
монокристаллов сульфида кадмия для применения в качестве ак
тивных лазерных сред в источниках освещения РОМ типа систем
с бегущим пятном..
Научная новизна.
1. Сформулирован энергетический подход при исследованиии закономерностей формирования изображений в растровой оптической микроскопии, основанный на анализе распространения световых потоков, который применен для построения формы видеосигналов в РОМ без выходной оптики с протяженным детектором для идеализированных объектов простой геометрической формы ("точечные" отверстия и прозрачные полосы в непрозрачном экране, решетки из чередующихся светлых и темных полосі. Показано, что энергетический подход наряду с простотой обладает и большой общностью, позволяющей с его помощью анализировать
форму видеосигналов для широкого класса объектов также и в конфокальных микроскопах. Показано также, что характер изображений в РОМ различных типов не зависит от степени когерентности используемого излучения.
2. Получены- аналитические выражения, описывающие форму
видеосигналов в-'различных типах РОМ при использовании в них
гауссовых пучков.
-
Исследованы информативные возможности РОМ, выполненного в виде системы с бегущим пятном. Показано что для такой системы существуют оптимальная кратность уменьшения объектива и диапазон увеличений, обеспечивавшие необходимые информативность и детальность изображения.
-
Для анализа разрешающих возможностей РОМ использован метод контрастных характеристик, для которых получены аналитические выражения для широкого класса объектов и разных типов РОМ. Получены формулы, описывающие зависимость разрешаемых особенностей объекта от значений наблюдаемого контраста. Дана оценка метода улучшения разрешения РОМ. основанного на использовании вычитания постоянной составляющей видеосигнала.
-
Для ряда объектов предсказан эффект обращения контраста в растровой оптической микроскопии и предложено его физическое объяснение. Отмечается, что этот эффект должен приниматься во внимание при проведении линейных измерений в суб-микрометровом диапазоне длин с помощью РОМ.
-
Исследовано разрешение РОМ в режиме наведенного тока в зависимости от разного вида функций возбуждения неосновных носителей заряда в полупроводниках с электрическими неодно-родностями типа р-n-переходов. Рассчитана форма видеосигнала наведенного тока в кремнии в зависимости от скорости сканирования. Предложен физический механизм, описывающий наблюдаемую в эксперименте асимметрию формы видеосигнала наведенного тока. Для улучшения разрешения РОМ в режиме наведенного тока предложен метод быстрого сканирования и дано его физическое обоснование.
-
С учетом экспериментальных данных по спектру излучения
и наведенному электронным зондом току разработана модель не однородно уширенной линии генерации в полупроводниковых ла зерах с электронной накачкой, основанная на модифицирован ной системе балансных уравнений, учитывающей в явном вид изменение населенности излучательных центров. С помощью.эта системы исследована динамика генерации.излучения в рассмат риваемых лазерах.
8. Введен в рассмотрение параметр, характеризующий сте пень неоднородности уширения линии излучения указанных лазе ров. и предложен метод определения ряда параметров сульфид; кадмия в условиях лазерной генерации.
На защиту выносятся:
-
Энергетический подход в растровой оптической микроско пии. основанный на анализе распространения световых потокої и обеспечивающий достаточно простой и физически наглядны! метод расчета формы видеосигналов для различных объектов і типов' РОМ.
-
Аналитические выражения, описывающие форму видеосигналов для различных объектов и типов РОМ. и оценки размыш изображений резкого края в РОМ 1-го типа и в конфокально}. РОМ.
-
Утверждение о том, что для РОМ, выполненного В ВИД системы с бегущим пятном, существует оптимальная кратності уменьшения объектива и соответствующий диапазон увеличений, обеспечивающие необходимую информативность и детальность изображения.
-
Метод оценки разрешения РОМ, основанный на использовании контрастных характеристик, и аналитические вьражения для этих характеристик и для определения разрешения РОМ.
-
Эффект обращения контраста, проявляющийся для определенных объектов, когда их детали меньше диаметра зонда, и физический механизм, лежащий в основе этого эффекта.
-
Приближенное соотношение, связывающее значения сигнала наведенного тока при сканировании оптическим зондом р-п-перехода при нулевой и бесконечно большой скоростях поверхностной рекомбинации.
-
Метод быстрого сканирования, обеспечивающий улучшение разрешения РОМ в режиме наведенного тока по сравнению с квазистатическим случаем. — —...-..,_.
-
Модель неоднородно уширенной - линии генерации в полу- -проводниковом лазере с электронным возбуждением на -основе _ -сульфида кадмия.
Практическая ценность работы.
Помимо медико-биологических исследований, где РОМ давно и с успехом используются, особенно эффективно, как уже отмечалось, их применение в микроэлектронике при контроле геометрических размеров структурных элементов ИС суб- и микрометровых размеров. Это обусловлено как тем, что РОМ обладают более высоким латеральным разрешением по сравнению с обычными оптическими микроскопами, так и тем. что РОМ более адекватно и с существенно более выраженным контрастом воспроизводит истинное распределение прозрачности Сотражательной способности} объекта, несмотря на дифракционную неоднородность зонда. Кроме того, благодаря режиму аксиального сканирования в конфокальных РОМ, в этих микроскопах возможно объемное воспроизведение исследуемых объектов. Наконец, РОМ типа системы с бегущим пятном, где в качестве источника освещения используется квантоскоп. оказьюается чрезвычайно перспективным прибором при исследовании и картографировании двумерных распределений резистивных состояний в высокотемпературных сверхпроводниках.
Опираясь на результаты исследования особенностей формирования изображений и генерации излучения в лазерных системах с бегущим пятном, удалось повысить возможности соответствующей аппаратуры и методов и получить в распоряжение разработчиков РОМ физически обоснованные, достаточно простые и эффективные методы оценки их параметров и характеристик.
Результаты исследований автора диссертации были, использованы, в частности, при разработке "Методики калибровки увеличения и определения разрешения растровых оптических микроскопов", проведеной в соответствии с утвержденной Постановлением Госстандарта № 47 от 31.0D.84 г. "Программой комп-
лексной стандартизации перспективных методов и средств дефектоскопии и физико-технического анализа отказов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и комплектующих ее электрорадиоиз-делий (ЭРИ)", и при обосновании технических решений,-поло-~ женных в основу РОМ, предназначенного для контроля геометрических" параметров интегральных схем.
Апробация результатов работы и публикации.
Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
-Всесоюзных симпозиумах по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел в 1984, 1989. 1991 г. г. (Звенигород) и в 1993 г. (Черноголовка);
II Всесоюзной научно-технической конференции "Материаловедение халькогенидных и кислородсодержащих полупроводников" в 1986 г. (Черновцы);
на научно-технической конференции Московского физико-технического института в 1989 г. ;
на научных семинарах Московского научно-исследовательского института радиосвязи и Научно-исследовательского' центра по изучению свойств поверхности и вакуума.
По материалам, вошедшим в диссертацию, опубликовано 20 печатных работ, в том числе монография В.Г.Дюков, Ю. А.Кудея-ров "Растровая оптическая микроскопия", Москва. Наука, 1992, 208 с.
Список работ приведен в конце реферата.
