Реферат: Оптические методы НК. Прямой контроль в оптической (световой) микроскопии

Корпускулярными свойствами света объясняются такие оптические явления, как поглощение света, внешний и внутренний фотоэффект, сплошной спектр теплового излучения твёрдого вещества, линейчатый спектр поглощения и излучения газов, люминисценция и др.

Поглощение света в веществе подчиняется закону Бугера-Ламберта, согласно которому амплитуда электромагнитной волны E, распространяющаяся в веществе в направлении x, уменьшается в е-xраз:

E(x) = EО е-x ,

где  = ln(EО/E1) = 2k/ - показатель поглощения, характеризующий степень поглощения световой волны на единицу её пути в контролируемом веществе; E0 - начальная амплитуда световых колебаний; E1 -амплитуда световых колебаний после прохождения единицы пути (x=1).

Из этого выражения также следует, что контролируя изменение амплитуды световой волны, прошедшей через исследуемый объект, можно получить информацию как о геометрических параметрах (x) этого объекта (например, толщины тонкоплёночных элементов), если известен его показатель поглощения, так и о его структуре и химическом составе (k) используя спектральные методы контроля (рис. 3).

Излучение света (а точнее - электромагнитных волн в широком спектре) твёрдым телом, нагретым до некоторой температуры T, подчиняется закону Планка, описывающему спектральную плотность абсолютно чёрного тела (АЧТ):

r (,T) = C1-5(еC2/ -1)-1 .

Для твёрдого тела кривые, описываемые этим законом (рис.4) непрерывны в силу наличия большого количества энергетических состояний атомов и молекул кристаллической решётки, электронные переходы которой весьма разнообразны по излучаемым квантам электромагнитной энергии.

По спектру собственного излучения нагретого объекта можно бесконтактным способом измерить его температуру. На этом основаны методы оптической пирометрии и тепловидения.

В газообразном и жидком веществе электронные оболочки атомов относительно невелики и электроны соответственно могут находиться в ограниченном количестве энергетических состояний, которые определяют дискретность спектра излучаемых ими квантов энергии. Т.е. спектр собственного излучения газов и жидкостей обычно не сплошной а линейчатый, что позволяет легко идентифицировать по нему химический состав этого вещества (рис.5).

Рис. 3. Изменение коэффициента экстинкции k и показателя преломления n в области полосы поглощения света (в области электронного резонанса)

Рис. 4. Непрерывный спектр собственного излучения твёрдых тел с разной температурой

Рис. 5. Дискретный спектр излучения газов и жидкостей

Классификация оптических методов НК

Разнообразие оптических свойств материалов электронной техники определяет и разнообразие оптических методов, при помощи которых контролируются оптические свойства материалов.

По степени распространённости и применения оптических методов в электронной технике необходимо, прежде всего, выделить методы оптической микроскопии, которые интенсивно развиваются и широко используются в области исследований на стадии разработки и производственного контроля полуфабрикатов, структур и изделий на разных стадиях технологического процесса.

На втором месте стоят спектральные методы исследования и контроля, позволяющие получать информацию о материалах, структурах и изделиях как по спектральному составу их собственного излучения, возникающего при нагреве или каких-либо воздействиях, так и по спектральному составу излучения, взаимодействующего с исследуемым объектом. При этом используются спектры поглощения, отражения, испускания, люминесценции.

К спектральным методам примыкают интерференционные и эллипсометрические методы, основанные на классических явлениях интерференции (голография) и поляризации света.

Прямой контроль в оптической (световой) микроскопии

Одной из разновидностей оптических методов прямого контроля является группа методов оптического сравнения изображений и выделения оптическим способом разностного изображения. Устройства, реализующие эту группу методов, получили название оптических компараторов. Их принципиальные схемы приведены на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Схема оптического компаратора с «оцвечиванием» каждого из оптических каналов:

1 - фотоприёмник или экран; 2 - объектив; 3 - светоделитель; 4 - зеркало; 5 - дефектоскопируемый объект; 6 - образцовый объект; 7 - блок освещения; 8 - оптические цветные фильтры

Рис. 7. Оптический компаратор с модуляцией светового потока в одном из каналов:

1 - фотоприёмник или экран; 2 - объектив; 3 - светоделитель; 4 – двигатель с обтюратором; 5 - дефектоскопируемый объект; 6 - эталонный объект; 7 - блок освещения; 8 - оптический фильтр

Оптические компараторы имеют два канала, по одному из которых передаётся оптическое изображение от дефектоскопируемого объекта, а по второму - от образцового. Для контрастирования разностного оптического изображения используют три способа.

Первый из них использует «оцвечивание» каждого из оптических каналов посредством различающихся по цвету фильтров. Оба окрашенных изображения дефектоскопируемого и образцового объектов оптически совмещаются. В местах, где изображения полностью совпадают (идентичны), виден неокрашенный (смешанные цвета) рисунок первичного изображения, а там, где имеются различия, смешивание цвета нарушается и любое расхождение проявляется в виде ярко окрашенной области с цветом, зависящим от того, какому из первичных оцвеченных изображений принадлежит тот участок, который отсутствует в другом.