Способ исследования поверхностей твердых тел

 

Изобретение относится к контролю качества поверхностей материалов оптическими методами, а именно к способу исследования поверхностей твердых тел, включающему формирование на плоской поверхности образца из поверхностно-активного материала однородного слоя связи толщиной, меньшей глубины проникновения поля поверхностных электромагнитных волн, возбуждаемых сколлимированным монохроматическим p-поляризованным излучением внешнего источника на границе слой связи - образец, в материал слоя связи, и регистрацию пространственного распределения интенсивности отраженного излучения фотоприемным устройством, при этом исследуемую поверхность образца ограничивают герметичным барьером высотой больше толщины слоя связи, однородный слой связи формируют путем нанесения на поверхность образца слоя жидкости, затем образец с сформированным на его поверхности жидким слоем связи помещают в жидкость, не растворимую в жидкости слоя связи, имеющую плотность меньше плотности жидкости слоя связи и показатель преломления больше действительной части эффективного показателя преломления поверхностных электромагнитных волн. 2 ил.

Изобретение относится к контролЮ качества поверхностей материалов оптическими методами, а именно к обнаружению дефектов и других оптических неоднородностей на плоских поверхностях проводящих и полупроводящих изделий путем регистрации отличия условий возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на неоднородных участках от условий возбуждения ПЭВ на однородных участках изделий, и может найти применение в оптическом приборостроении, например, для контроля качества подготовки поверхностей подложек интегрально-оптических устройств, лазерных зеркал и т.д.

Известен оптический способ исследования поверхностей твердых тел, получивший название ПЭВ-микроскопия, заключающийся в том, что над плоской поверхностью образца из поверхностно-активного материала (с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости ) на расстоянии где длина волны излучения в вакууме; комплексная диэлектрическая проницаемость материала образца (j-мнимая единица); ε_ср- диэлектрическая проницаемость окружающей среды, размещают призму с диэлектрической проницаемостью ε_пр > ε_ср, сколлимированным монохроматическим p-поляризованным излучением внешнего источника возбуждают ПЭВ на поверхности образца и регистрируют пространственное распределение интенсивности отраженного излучения фотоприемным устройством [1] Основным недостатком известного способа является необходимость использования призмы непланарного элемента, а также необходимость применения специальной микрометрической приставки для регулирования величины зазора (слоя связи) d между призмой и поверхностью образца. Кроме того, в видимом диапазоне d ~ λ_o что трудно реализовать не повреждая поверхности образца.

Известен туннельный способ выполнения ПЭВ-микроскопии, (являющийся вариацией ближнепольной растровой оптической микроскопии (БРОМ) [2]), заключающийся в том, что полупрозрачный образец из поверхностно-активного материала наносят на грань призмы с ε_пр > ε_ср сколлимированным монохроматическим p-поляризованным излучением внешнего источника возбуждают ПЭВ на внешней поверхности образца, вносят в эванесцентное поле ПЭВ заостренный оптический световод-зонд, соединенный с фотоприемным устройством, и, сканируя зонд над исследуемой поверхностью в режиме равной интенсивности, измеряют распределение поля ПЭВ по поверхности образца, которое однозначно связано с распределением неоднородностей на поверхности образца [3 и 4] Туннельная ПЭВ-микроскопия имеет сверхвысокое как вертикальное (до 1 нм), так и латеральное (до λ /300) разрешение. Основными недостатками туннельной ПЭВ-микроскопии являются: 1) невозможность исследования быстропротекающих процессов из-за продолжительного времени сканирования зонда; 2) ограниченная область применения возможность исследования только полупрозрачных образцов.

От обоих выше названных недостатков избавлена беспризменная ПЭВ-микроскопия [5] В этом способе роль призмы выполняет окружающая среда, а в качестве слоя связи используют твердотельный слой из материала с диэлектрической проницаемостью e_сл < ε_ср Основным недостатком этого способа является невозможность проведения измерений в широком спектральном диапазоне, что необходимо для визуализации более широкого класса неоднородностей, так как толщина слоя связи нерегулируема и при использовании излучения с другими λ_o отличными от исходной длины волны, возбуждения ПЭВ может не произойти. Кроме того, удаление твердотельных слоев связи с поверхности изделия после завершения ПЭВ-микроскопических исследований процесс трудоемкий и не всегда возможный. По существу, в этом случае ПЭВ-микроскопия превращается в разрушающий метод исследования поверхности.

Наиболее близким к изобретению является другой способ выполнения отражательной беспризменной ПЭВ-микроскопии [6] В этом способе роль призмы выполняет окружающая среда жидкость с показателем преломления большим действительной части эффективного показателя преломления ПЭВ, возбуждаемых на поверхности образца, погруженного в эту жидкость. Образец приводят в тепловой контакт с охладителем и формируют слой связи из твердой фазы окружающей среды, охлаждая образец до температуры, при которой толщина этого слоя достигает оптимального значения. Таким образом, способ позволяет расширить класс исследуемых объектов путем оперативного изменения толщины слоя связи и длины волны зондирующего излучения. Основным недостатком этого способа является необходимость наличия охладителя и понижение температуры образца до температуры замерзания жидкости, что может быть нежелательным воздействием на образец.

Сущность изобретения заключается в том, что на плоской поверхности образца из поверхностно-активного материала формируют однородный слой связи толщиной меньшей глубины проникновения поля поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), возбуждаемых сколлимированным монохроматическим p-поляризованным излучением внешнего источника на границе "слой связи образец", в материал слоя связи, и регистрируют пространственное распределение интенсивности отраженного излучения фотоприемным устройством, для упрощения способа и расширения класса исследуемых образцов исследуемую поверхность образца ограничивают герметичным барьером высотой больше толщины слоя связи, однородный слой связи формируют путем нанесения на поверхность образца слоя жидкости с плотностью ρ_сл затем образец с сформированным на его поверхности жидким слоем связи помещают в жидкость с ρ_ср < ρ_слне растворимую в жидкости слоя, и показатель преломления которой больше действительной части эффективного показателя преломления ПЭВ. В предлагаемом способе не предполагается использование охладителя, а также то, что однородность толщины слоя связи может быть достигнута, например, путем нанесения жидкости с ρ_сл на горизонтально расположенную, исследуемую поверхность образца, в то время как в прототипе однородность слоя связи трудно реализуема из-за отличия теплопроводности неоднородностей, внедренных в исследуемую поверхность, от теплопроводности материала образца. В предлагаемом способе нет необходимости понижения температуры образца до температуры замерзания жидкости на время выполнения исследований, которое для определенного класса образцов, является недопустимым воздействием.

Таким образом создается возможность для расширения класса исследуемых образцов.

Отметим, что предлагаемый способ может быть эффективно использован и в туннельной ПЭВ-микроскопии, где он позволяет исследовать непрозрачные образцы, поскольку заостренный световод-зонд может быть внедрен как в жидкую призму НПВО, так и в жидкий слой связи, не затеняя расположенную под острием область исследуемой поверхности.

Изобретение поясняется на фиг. 1 и 2.

Способ может быть реализован, например, с помощью устройства, схема которого приведена на фиг.1, где цифрами обозначены: 1 источник излучения (или выполняющий роль такого источника отражатель, помещенный в жидкую окружающую среду), 2 жидкий слой связи с плотностью ρ_сл и показателем преломления n_сл, 3 исследуемый образец, 4 герметичный барьер, ограничивающий исследуемую поверхность образца, 5 жидкая окружающая среда, в которой размещают образец 3 с предварительно нанесенным на его исследуемую поверхность слоем связи 2, 6 фотоприемное устройство.

В качестве примера рассмотрим применение способа для контроля качества химической полировки высокоотражающих металлических зеркал [7] с помощью предложенного в примере устройства, реализующего заявленный способ. Вначале подложка зеркала после шлифовки полируется мелким абразивом. В результате приповерхностный слой (≈ 50 100 мкм) оказывается зашаржированным этим абразивом. Методом химической полировки (обычно гидроплановой) удаляют этот зашаржированный слой. Предлагаемым способом можно определить момент прекращения химической полировки, когда этот слой будет полностью снят. Абразивные частицы, применяемые при финишной полировке, имеют размеры 0,05 - 1,0 мкм. Их показатель преломления на длине волны λ_o 590 нм равен 2,1. На полируемую поверхность наносят слой воды толщиной d_опт, соответствующей выбранной λ_o Полируемый образец с нанесенным на его горизонтально размещенную исследуемую поверхность водным слоем связи помещают в бензол - жидкость, не растворимую в воде и менее плотную, чем вода [8] Освещая под определенным углом ϕ образец p-поляризованным излучением внешнего источника возбуждают ПЭВ на границе "вода образец" и регистрируют распределение интенсивности отраженного излучения в плоскости, перпендикулярной к направлению его распространения. При изменении длины волны зондирующего излучения l_o толщину водного слоя связи d_опт можно изменять, например, путем сближения (разнесения) стенок герметичного барьера 7, изменяя таким образом площадь поверхности образца, ограниченную барьером. На Фиг.2 приведены зависимости R_p( ϕ ), где R_p коэффициент отражения мощности p-поляризованного излучения, для алюминиевого образца с внедренными в его приповерхностный слой частицами абразива размером h различной величины, рассчитанные при l_o 590 нм, d_опт 0,45 мкм, n_сл n_воды 1,33, n_ср n_{бензола} 1,5, ε_м = ε_Al (0,9 + j·6,5)² [9] Из приведенных на фиг.2 зависимостей видно, что при данном угле падения излучения ϕ величина коэффициента отражения R_p зависит от размера неоднородностей h, что и позволяет наблюдать и определять размеры этих неоднородностей в отраженном излучении, не изменяя температуры образца.

Источники информации 1. Тищенко А.А. Никитин А.К. ПЭВ в оптической микроскопии // Вестник РУДН (сер.физика), 1993, Т.1, N 1, с. 114 121.

2. Либенсон М. Н. Диденко И.А. Оптическая микроскопия сверхвысокого разрешения// Оптический вестник, 1992, N 5 6, с. 1 2.

3. Girard C. Plasmon resonances and near-field optical microscopy// Applied Optics, 1992, v. 31, N 25, p. 5380 5387.

4. Specht M. Pedarnig J.D. Heckl W.M. Hansch T.W. Scanning plasmon near-field microscope //Physical Review Letters, 1992, v. 68, N 4, p. 476 - 479.

5. Roeseler A. Golz M. Trutschel U. Abraham M. Prismless excitation of surface plasmons in infrared spectral region by ATR // Optics Commun. 1989, v. 70, N 1, p. 8 11.

6. Никитин А. К. Тищенко А.А. Способ исследования поверхностей твердых тел // Авт.св. СССР N 1749785, Бюл. N 27 от 23.07.92.

7. Тищенко А.А. Одинец З.К. Козмина Э.Я. и др. Полировальное химическое травление// Обзор N 4688, М. ЦНИИИиТЭИ, 1988, 81 с.

8. Органические соединения (Справочник), М. 1984, 876 с.

9. Золотарев В. М. Морозова В.Н. Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред// Л. Химия, 1984, 215 с.

Формула изобретения

Способ исследования поверхностей твердых тел, включающий формирование на плоской поверхности образца из поверхностно-активного материала однородного слоя связи толщиной, меньшей глубины проникновения поля поверхностных электромагнитных волн, возбуждаемых сколлимированным монохроматическим p-поляризованным излучением внешнего источника на границе слой связи - образец, в материал слоя связи и регистрацию пространственного распределения интенсивности отраженного излучения фотоприемным устройством, отличающийся тем, что исследуемую поверхность образца ограничивают герметичным барьером высотой больше толщины слоя связи, однородный слой связи формируют путем нанесения на поверхность образца слоя жидкости, затем образец со сформированным на его поверхности жидким слоем связи помещают в жидкость, не растворимую в жидкости слоя связи, имеющую плотность меньше плотности жидкости слоя связи и показатель преломления больше действительной части эффективного показателя преломления поверхностных электромагнитных волн.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2