1) Состав задач и уровни микроскопических исследований

М икроскоп предназначен для наблюдения за объектами близко расположенными. Особенности микроскопов: Из-за того что, исследуемые объекты имеют максимальные размеры увеличения размеров объектов не улучшает контрастности и яркости изображения, хотя большой объектив и собирающий больше света, но света проходящего через края объектива дает изображение не в тех точках, в кот оно получается с помощью лучей идущих через центр объектива. Для того чтобы изображение было контрастным и четким объект необходимо достаточно сильно освещать и не стремиться к большому увеличению.

3) Явление поляризации и его использование в микроскопии (поляризационные микроскопы). В отличие от обычных микроскопов позволяют сущ-но расширить возможности микроскопии тем, что позволяют не только изучать не только геометрию объектов, но и оценивать их физ-хим св-ва. Из оптики известно, что обычный свет, излучаемый нагретыми телами, например солнцем, представляет собой наложение эл.магн. волн, каждый из которых перпенд-н вектору распр-ния волны и вектору МП. Излучает волну электр. заряд, движущийся с ускорением, например эл-н, движущийся вокруг ядра. Такой зяряд соотв-т эл. диполю, момент которого периодически меняется по величине. Соседний электрон атома тоже представляет собой диполь, момент которого повернут относительно момента 1го электрона. Т.о. даже отдельный атом может испускать серию эл-магн волн с различн. ориентацией эл. и магн. поля.При том, что напр-е распр-я волн будет одним и тем же. Если 2 диполя испускают эл\магн волны с различн. ориентацией вектора эл. напр-ти, но с одинаковой длинной волны, то в зав-ти от разности фаз этих двух волн вектора эл. поля суммируясь могут дать эл-магн волну, напр-ть которой будет в 2е больше, чем напр-ть поля, может быть =0, если векторный меняют свое направление в пространстве

Е сли в некот. точке m вдоль напр-я рапр-я волны ЭП, создаваемое первым диполем может быть представлено как E_x, а ЭП второй – E_y, то в этой точке в любой момент времени эл. напр-ть будет = E₀, но напр-е веткора напр-ти будет меняться, вектор напр-ти будет вращаться вокруг напр-я распр-я волны. Такая эл.магн волна наз-ся волной с круговой поляризацией. Если у 1 и 2 волны амплитудные значения различны, то пол-ция будет не круговой, а эллиптической. Установлено, что при падении наполяр. Излучения на плоскую пов-ть под углом падения – углу Бюргерса отраженная эл-магн волнабудет плоско поляризованной, вектор поляризации будет лежать в плоскости, отражающей пов-ть. Т.о. получить поляр-й свет можно с помощью одиночного диполя, но это не реально. Часть света проникает в отр. пов-ти. В преломленной волне свет не будет полносью поляризованным, но степень его поляризации возрастет. Напр-ть эл. поля вектор которого перпен-н пов-ти и перпен-н рапр-ю будет сущ-но больше, чем вектор напр-ти, располож-й || отраж. пов-ти. Для получения плоско поляр-го света исп-ют не отраж. волну, а проходящую частично поляр-ю, т.к. доля отраж. света слишком мала. Интенсивность отраж. источника будет слишком мала. Для того, чтобы поляр-ть проходящий свет изготавл-т систему стекл. пластинок, улож-х друг на друга с прослойкой жидкого масла, коэф-т преломления которого выше, чем у воздуха, но ниже, чем у мат-ла пластинок.

2) Явление дисперсии ( зависимость n от λ) и выбор материалов для микроскопии Для оптических микроскопов вводится понятие разрешающая способность. Это понятие характеризует минимальное расстояние между 2 исследуемыми объектами, которые на рисунке видны раздельно, не сливаются. d_min=1,22λ/(2n∙sinα)

где α угол от объекта на край линзы, n коэф-т преломления стекла объектива.

По Релею разрешающая способность достигает максим значения тогда, когда центр светящегося изображения одной точки совпадает с первыми темными кольцом дифракционной картины, возникшей возле изображения 2 точки.

4) Явление интерференции и его использование в микроскопии (интерференционные микроскопы). При положении ЭМ волн одинаковой частоты, но с некоторым сдвигом фаз результирующее поле определяется следующим образом:

П ри изменении в (0; π), достаточно сильно меняется от min до max. Если в исследуемой точке происходит суперпозиция или сложение излучений от n источников, каждый из которых создает колебания с амплитудой a на форсированной частоте, то интенсивность излучения от na² до n²a². Если все n источников имеют случайную фазу, то есть не явл-ся когерентными, а освещенность = na². Если источники явл-ся когерентными и все значения , , т.е. освещенность n²a². Этот эффект используется в интерференционных микроскопах. Благодаря интерференции отдельные участки исследуемого объекта облучаются когерентным монохроматическим светом. Пучок такого света можно создать с помощью дифракционной решетки, облучаемой точечным источником немонохроматического света. Пучок монохроматического света (МС), падая на объект, меняет свою фазу в зависимости от св-в объекта. В отраженном пучке будут присутствовать колебания одной фазы, созданные участками объекта с низкой оптической ρ, и колебания с другой фазой, созданные участками объекта с высокой оптической ρ. И те, и другие создадут на экране изображение точек объекта определенной освещенности (интенсивности). Если на этот же экран направить когерентные и монохроматические излучения, такое, что его фаза во всех точках экрана будет одна и та же, то в результате наложения этого потока с постоянной фазой и потоков отраженных от объекта, имеющих в разных точках экрана разную фазу, на экране произойдет интерференция, и картинка этой интерференции будет различна для различных точек экрана. В одних точках произойдет усиление колебаний, в других – ослабление. Если оператор смотрит на неподсвеченный экран, различные точки которого светятся светом разной фазы, то никаких различий м/у ними он не увидит, т.к. различие в фазах глаз не улавливает. Если оператор смотрит на подсвеченный экран, на котором из-за интерференции точки стали либо темными, либо светлыми, он легко фиксирует это различие м/у изображениями точек.

5) Дефекты изображения при микроскопических исследованиях (астигматизм, аберрация, кома, хроматическая аберрация). Особенностью микроскопов явл-ся погрешность формы изображения, обусловленной дисперсией частоты, неидеальностью формы линз, методами приближения, используемыми в геометрической оптике. Разновидности погрешносетй: 1) сферическая аберрация (лучи не явл-ся параксиальными).

– определяет степень искажения.

Устранить можно применением диафрагм, но при этот снижается светосила. При использовании устройств, позволяющих усилить сигнал и повысить контрастность, удается обеспечить необходимую контрастность и светосилу. Для собирающих линз – δ<0. В микроскопах δ --> 0 , благодаря использованию составных объективов, состоящих из выпуклых и вогнутых линз.

2) Астигматизм. Причиной явл-ся сферический характер световой волны, излучаемой каждой точкой объекта и кривизна линзы как в вертикальной, так и в горизонтальной оси. Проявляется астигматизм в том, что изображается точка не на главной оси, растягиваются в линию. Причем изображение точки формируется в 2-х плоскостях. Устранение этого достигается применением сложных составных объективов из выпуклых и вогнутых линз. 3) Кома и дисторсия. Кома – изображение точки похоже на прямую. Дисторсия – различие в изображениях, построенных лучами, проходящими через центральную часть линзы и периферию. 4)хроматическая аберрация. Коэффициент преломления n зависит от частоты [дисперсия].

зависимость коэф. Преломления от длины волны. Величина отрицательная.

Зависимость n от υ носит сложный характер.

8) Контроль качества поверхности по картинам отражения когерентного света лазера

Оптическая микроскопия используется для контроля неровности пластин кремния. Микронеровности не должны превышать 10^-9 м. Лазер создает пучок света, кот расширяется калиматором. Далее свет проходит через полупрозрачное зеркало и отражается от исследуемой пластины кремния. Далее отраженный от пластины свет снова попадает на зеркало и затем на экран. Интерференция проходит между лучами отраженными от выступов и от впадин на пластине. Если бы шероховатости не было бы и пластина была бы хорошо отполирована, то изображение состояла бы из повторяющихся фрагментов, а не из фигур с неровными краями. В случае необходимости метод может использоваться для контроля многослойных структур. В этом случае интерферируют не лучи, отраженные от разных точек поверхности, а лучи, отраженные от всевозможных неоднородностей внутри пленки. По этой схеме может контролироваться форма области эмиттера внутри области базы и форма области базы внутри области коллектора. По этой же схеме контролируют наличие пыли и пузырьков в слое фоторезистора, так как это может привести к формированию ненужных отверстий в оксидной маске.

6)  Микроскопы светлого поля, микроскопы темного поля  По принцип построения изображения бывают микроскопы светлого поля, микроскопы темного поля.

В основном, это связано с физико-химическими явлениями, которые возникают при воздействии светового потока на объект. При этом световой поток также может быть подвержен изменению, как по форме, так и по своим физическим свойствам. В таком случае микроскопы можно разделить следующим образом.

Микроскопы светлого поля обеспечивают следующую картину — на светлом фоне более темное изображение объекта. Основные условия освещения: это обычный прямо проходящий свет, изменения в котором могут быть связаны только с длиной волны светового потока, определяемой применением в осветительной системе широкополосных светофильтров из обычного цветного стекла. Редко используются узкополосные специальные светофильтры (интерференционные). Классическая схема подобного микроскопа делает его базовым для обеспечения условий получения различных методов контрастирования.

Микроскопы с методом темного поля (Термин «темнопольный микроскоп») гарантируют такое изображение — на темном фоне можно наблюдать более светлое изображение объекта или ярко блестящий контур объекта. Основные условия освещения: а) в микроскопах проходящего света — обычный прямо проходящий свет полностью перекрывается до того, как попадает на объект; б) в микроскопах отраженного света — обычный свет, проходя через кольцевую диафрагму с непрозрачным диском, по размеру перекрывающим выходной зрачок объектива.

7) Флуоресцентная микроскопия. Флуоресцентные микроскопы могут быть отражаемого и проходящего света. Принцип их действия основывается на том, что исслед. Объект облучают коротковолновым светом (УФ). Под воздействием УФ света с наружных орбит атомов исслед. материала выбиваются электроны. На освобод. места с более высоких орбит сваливаются электроны, отдающие свой избыток энергии в окр. пространство на частоте υ₂.

К вант hυ₁, выбивающий электрон, соответствует УФ свету. Недостаток: под воздействием УФ излучения образцы «отбеливаются».

Основные требования к таким микроскопам:

1) Источник УФ должен вызывать флуоресценцию.

2) λ возбуждаемого излучения должна быть короче λ флуоресценции.