лабы / ЛР4 Горляк

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра микро- и наноэлектроники

ОТЧЁТ по лабораторной работе № 4 по дисциплине «Методы анализа структур электроники и микросистемной техники» Тема: Измерение толщины однородных изотропных плёнок на однородных изотропных подложках методом поляризационно-интерференционной микроскопии видимого диапазона

Студенты гр. 1283 ____________________ ____________________ ____________________ Григорьева В.В. Бабенко Д.П. Ганиев Ж. Преподаватель ____________________ Горляк А.Н.

Санкт-Петербург 2025

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Поляризационно-интерференционная микроскопия (ПИМ) представляет собой усовершенствованный метод фазоконтрастной микроскопии, обеспечивающий возможности для количественного анализа микроструктур. В отличие от обычных методов, ПИМ позволяет с высокой точностью измерять оптические параметры прозрачных объектов, что делает ее незаменимой для исследования тонких плёнок, биологических образцов и других материалов.

Схема оптической системы:

Измерение разности оптического пути. Измерение в поле полос с использованием двулучепреломляющей призмы №2

Измерение разности оптического пути (в нашем случае – геометрической толщины однородной и изотропной плёнки на прозрачной однородной изотропной подложке) в самом простом случае, заключается в определении ширины межполосного расстояния h' в поле зрения микроскопа и величины мещения d интерференционных полос в изображении исследуемого объекта. Зная эти величины и длину волны λ применённого света, разность оптического пути Ф определяется по формуле:

(1)

В случае тонких слоёв или плёнок, измерения разности оптического пути при применении этого метода можно производить на соответственных узких полосках, уступах или бороздах, устанавливаемых наискосок по отношению к направлению интерференционных полос (рис. 2).

а	б
Рисунок 2. Изображение порога в интерференционном поле полос (а), а также ступени (вертикального уступа) (б).

Важно отметить, что полученное значение Φ представляет собой оптическую толщину, а не геометрическую.

Связь оптической толщины и геометрической толщины t описывается формулой (2):

Φ= 𝑡(𝑛−𝑛0)

(2)

где n – показатель преломления плёнки;

n0 – показатель преломления окружающей среды.

Измерение межполосного расстояния h' и смещения полос d проводится посредством окулярного микрометра, предварительно откалиброванного посредством эталонного «объект микрометра» с ценой деления шкалы последнего - 0,01 мм. В процессе калибровки определяется истинное значение (в мкм) цены деления встроенной в окулярный микрометр прозрачной шкалы, а также цены деления его измерительного барабана.

Смещение картины на одну полосу соответствует изменению разности хода на длину волны света. При визуальном наблюдении можно измерять оптическую толщину порядка λ/10, а при фотометрическом с цифровой обработкой — до λ/1000.

Схема измерительной установки

Рисунок 4. Внешний вид поляризационно-интерференционного микроскопа типа BIOLAR PI.

1 - интерференционная головка, 2 - конденсор со щелью, 4 - вспомогательный микроскоп, 8 - зажимной винт, 13 - рычаг переключения призм, 14 - накатанное кольцо для. передвижения призм в направлении параллельном к оптической оси, 15 - вороток микрометрического винта для передвижения: призм в направлении вертикальном к оптической оси, 16 - анализатор в оправе, 27 - патрон лампы, 30 - окуляр вспомогательного микроскопа, 31 - бинокулярная насадка, 32 зажимной винт окулярной насадки, 35 - осветлитель, 36 вороток диафрагмы поля, 39 - гнездо светофильтра, 40 - диоптрическое кольцо тубуса насадки

Внешний вид поляризационно-интерференционного микроскопа представлен на рис. 4. На рис. 5, 6 и 7 показаны регулировочные устройства, обеспечивающие настройку микроскопа и манипуляции в процессе работы.

Рисунок 5. Интерференционная головка. 13 - рычаг переключения призм, 14 - накатанное кольцо для передвижения призм в направлении параллельном к оптической оси, 15 - вороток микрометрического винта для передвижения: призм в направлении вертикальном к оптической оси, 16 - анализатор в оправе.

Рисунок 6. Конденсор со щелью. 17 - воротки для регулирования ширины щели, 18 - затенители для ограничения длины щели.

Рисунок 7. Поляризатор. 19 - угловая шкала поляризатора, 20 - левый нониус, 21 - правый нониус

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Разность оптического пути при десятикратном увеличении.

Разность оптического пути Ф вычисляется по формуле (1).

а	б	в

Рисунок 3 — Изображение, полученные в ходе лабораторной работы: а — начальное положение, б — смещение интерференционных полос, в – расстояние между полосами

Расстояние между полосами: 𝑑= 3,80 − 2,19 = 1,61 мкм

Смещение интерференционных полос: ℎ′= 3,80 – 3,14 = 0,66 мкм

Длинна оптического пути: Φ=𝜆⋅𝑑/ℎ′ = 0,54∙1,61/0,66 = 1,32 мкм

2. Разность оптического пути при десятикратном увеличении.

Разность оптического пути Ф вычисляется по формуле (1).

а	б	в

Рисунок 3 — Изображение, полученные в ходе лабораторной работы: а — начальное положение, б — смещение интерференционных полос, в – расстояние между полосами

Расстояние между полосами: 𝑑= 3,40 − 2,14 = 1,26 мкм

Смещение интерференционных полос: ℎ′= 3,40 – 2,84 = 0,56 мкм

Длинна оптического пути: Φ=𝜆⋅𝑑/ℎ′ = 0,54∙1,26/0,56 = 1,2 мкм

ВЫВОД:

Проведённые измерения методом поляризационно-интерференционной микроскопии позволили определить разность оптического пути для тонких плёнок с высокой точностью. Полученные значения (1.32 мкм и 1.2 мкм) демонстрируют воспроизводимость метода, а незначительное расхождение между ними может быть обусловлено погрешностями калибровки или локальными неоднородностями образца. Метод показал свою эффективность для анализа микроструктур, обеспечивая разрешение на уровне долей длины волны света. Результаты подтверждают перспективность использования поляризационно-интерференционной микроскопии в исследованиях тонких плёнок и биологических объектов.