Исследование оптических свойств наноструктур методом модуляционной интерференционной микроскопии
РАСЧЕТ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО СВЕТОВЫХ МИКРОСКОПОВ
УДК 681.723.26
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУР МЕТОДОМ МОДУЛЯЦИОННОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ МИКРОСКОПИИ
© 2011 г. П. С. Игнатьев; А. В. Лопарев; К. В. Индукаев; П. А. Осипов ООО “Лаборатория Амфора”, Москва Е-mail: ips@amphoralabs.ru
Разработан модуляционный интерференционный микроскоп с рекордно высоким латеральным разрешением (10–100 нм) и высокой (до 250 кадров в секунду) скоростью получения изображений. Приводятся описания оптической схемы прибора, принципов работы и проблем сверхвысокого оптического разрешения в фазовых изображениях. Обсуждаются возможные пути развития метода модуляционной интерференционной микроскопии, а также области применения метода для исследования наноструктурированных материалов, топологии интегральных микросхем и морфологии биологических объектов.
Ключевые слова: модуляционная интерференционная микроскопия, сверхразрешение, оптическая анизотропия, топология ИС, нанодинамика.
Коды OCIS: 180.3170, 170.1650
Поступила в редакцию 19.04.2010
Введение
В настоящее время методы интерференционной микроскопии успешно применяются для исследования оптических свойств широкого круга микрообъектов. Основными преимуществами интерференционной микроскопии являются высокое пространственное разрешение, неинвазивный характер измерения, отсутствие специальных требований к среде измерения (вакуум, красители). Исходя из этого, интерференционные микроскопы с успехом применяются в материаловедении, микроэлектронике и биомедицинских исследованиях.
Созданный в МИРЭА в 1984 г. когерентный фазовый микроскоп (КФМ) “Эйрискан” впервые подтвердил возможность сверхразрешения в фазовых изображениях [1]. Данный микроскоп представляет собой модифицированный микроинтерферометр МИИ-4 (ЛОМО), оснащенный фазовым модулятором в опорном плече и диссектором ЛИ-620 в качестве фотоприемной системы. Фаза отраженной от объекта волны измеряется методом временных интервалов [1]. Большинство работ, выполненных в МИРЭА, посвящено исследованию кле-
точной морфологии с высоким пространственным разрешением [2]. Высокое вертикальное разрешение “Эйрискана” сделало возможным исследование динамики внутриклеточных процессов [3]. Серьезным ограничением, затрудняющим применение КФМ в биомедицинских исследованиях, стало то, что время получения кадра варьировалось от 14 секунд до 15 минут в зависимости от его размера. Кроме того, интерфейсная плата КФМ “Эйрискан” для ПК позволяет работать только с операционной системой DOS, что также ограничивает его применение в составе современных программно-аппаратных комплексов.
Разработанный во ВНИИОФИ томографический микроскоп Линника удачно сочетает в себе возможности методов вычислительной томографии с методами фазовых шагов, что дает возможность измерения микрогеометрии, двулучепреломления и динамических характеристик измеряемых объектов [4]. Высокое быстродействие, возможность измерения двулучепреломления и томографическая реконструкция изображений предопределили его успешное применение в области оптических измерений, а также позволили внедрить эталон двулучепре-
26 “Оптический журнал”, 78, 1, 2011
ломления. Однако реализация метода фазовых шагов не позволила достичь сверхразрешения, что также ограничило область его применения для исследования наноразмерных структур.
Развитие вычислительной техники позволило разработать ряд интерференционных методов, в которых изображения строятся по одной интерферограмме. К таким методам относится метод Гильберт Фазовой Микроскопии (ГФМ) [5]. Благодаря “одношаговой” природе метода достигнуто быстродействие 600 кадров в секунду и показана возможность воспроизведения изображений в реальном времени. На основе ГФМ разработан оригинальный метод измерения показателя преломления однородных микрообъектов, например эритроцитов, получивший название интерференционная рефрактометрия [6]. Разрешение метода ГФМ ограничено числом интерференционных полос в поле зрения объектива, строго подчиняющимся законам дифракции, следовательно, такой подход принципиально не позволяет достичь оптического сверхразрешения.
Наиболее широкое распространение получили интерференционные методы, основанные на использовании некогерентных источников излучения. Эти методы легли в основу ряда приборов, производимых компаниями Wyko и Zygo, и успешно применяются в полупроводниковой промышленности для контроля топологии интегральных микросхем [7, 8]. Следует отметить, что латеральное разрешение таких микроскопов не превышает 250 нм, что также ограничивает возможности их применения при переходе на новые технологические стандарты в интегральной электронике.
C помощью сканирующей гетеродинной схемы интерферометра была показана возможность разделения вкладов в оптическую разность хода показателя преломления и геометрической высоты профиля объекта благодаря возможности одновременного захвата фазового и интенсивностного кадров [9]. Однако латеральное разрешение этого микроскопа ограничено дифракцией на объективе и составляет 0,67 мкм при использовании в качестве источника излучения He–Ne лазера (λ = 633 нм).
Из приведенного обзора следует вывод о перспективности применения методов интерференционной микроскопии для широкого круга исследований оптических свойств наноструктур, однако существующие методы не обеспечивают сочетание сверхразрешения и высокого быстродействия.
В настоящей работе рассматривается новая модификация модуляционного интерференционного микроскопа МИМ-300, который позволяет регистрировать распределение оптических параметров изучаемого микрообъекта (коэффициентов преломления, отражения, анизотропии) и предусматривает одновременное обеспечение высокого пространственного разрешения и быстродействия.
Метод МИМ
В основу оригинального метода МИМ положен принцип измерения локальных фаз промодулированной объектом световой волны [10–12].
Принципиальное отличие метода МИМ от вышеописанных методов интерференционной микроскопии заключается в том, что модуляция световой волны проводится по двум параметрам (фаза и поляризация). При этом сочетание высокого разрешения и быстродействия достигается за счет реализации нового алгоритма обработки интерферограмм, в котором удачно сочетаются возможность сверхразрешения фазометрических методов интерференционной микроскопии [13] с быстродействием методов фазовых шагов. Данный алгоритм предусматривает оптимальный выбор стартовой точки съема кадра в зависимости от положения керамики в опорном плече, а характер ее движения оптимизирован для увеличения частоты модуляции.
Оптическая схема лазерного канала представляет собой модификацию интерферометра Маха–Цандера с фазовым модулятором в опорном плече (рис. 1). Основное преимущество схемы Маха–Цандера состоит в возможности управления поляризацией, как в объектном, так и в опорном плечах интерферометра для последующей регистрации поворота плоскости поляризации, вносимого измеряемым образцом.
Управление поляризацией осуществляется при помощи автоматизированных поляризационных модуляторов (PM), позволяющих не только вращать плоскости поляризации объектного и опорного лучей интерферометра, но и изменять тип поляризации на эллиптическую или круговую.
Для выбора области записи фазового изображения микрообъекта в качестве источника освещения используется белый светодиод (LED), а амплитудное изображение регистрируется камерой белого света (WLC) (рис. 1а). В зависимости от типа микрообъекта и техники
“Оптический журнал”, 78, 1, 2011
27
исследования в качестве источника когерентного излучения могут быть использованы полупроводниковый (λ = 405 нм), твердотельный Nd:YVO4 (λ = 532 нм) и He–Ne (λ = 633 нм) лазеры. Измеряемый объект размещается на столе S под микрообъективом О1. Сколлимированный пучок от лазера L проходит через полуволновую пластинку (1/2WP) и затем расщепляется на поляризующем светоделителе PBS. Введение в оптическую схему полуволновой пластинки и поляризационного светоделителя позволило реализовать светоделитель с переменным коэффициентом деления интенсивности пучка. Это позволит добиваться оптимального контраста интерференционной картины в зависимости от коэффициента отражения изучаемого объекта и, следовательно, рационально использовать динамический диапазон CMOS камеры. Один из расщепленных пучков (объектный) фокусируется объективом О1 на объект S и после отражения от зеркальной подложки через светоделитель BS1 и телескопическую систему Т попадает на фотоприемник D. В качестве фотоприемника используется 12-битная CMOS камера Silicon Imaging модель SI – 1280f (рис. 1б).
Опорный пучок фокусируется объективом О2 на зеркало, закрепленное на пьезомодуляторе РМD, и после отражения от него также попадает на фотоприемник. Фазовое изображение формируется модернизированным трехшаговым методом. Для осуществления поляризационных исследований перед камерой D устанавливается анализатор А.
Принципиальным конструктивным отличием от предыдущих приборов МИМ является конструкция интерферометра, реализованная в едином “моноблоке”. Такая реализация позволила достичь высокой жесткости конструкции и минимизировать воздействие внешних факторов на интерферометр. Новая конструкция стола вертикальных подач позволила улучшить механические характеристики прибора и дала возможность позиционировать измеряемый объект по вертикали с дискретностью перемещения 5 нм и результирующей точностью 50 нм. Такие характеристики необходимы для реализации алгоритма, позволяющего измерять рельеф высотой до десятков микрон.
Использование встроенной памяти камеры позволило увеличить скорость получения фазовых изображений, что является актуальной задачей при исследовании быстропротекающих процессов, таких как колебания пьезокерамик
и динамика биологических объектов. Режим вычитания калибровочного кадра позволил исключить дефекты, вызванные “битыми” пикселами и реализовать дополнительный инструмент для борьбы со спеклами и другими дефектами изображения.
Использование вышеописанных технических решений позволило достичь разрешения менее 0,5 нм по вертикали и 15–100 нм – в плоскости объекта, что превышает предел разрешения существующих методов интерференционной микроскопии. Следует отметить, что разрешение при фазовых измерениях определяется характеристиками как самого сигнала, так и измерительного прибора [14].
Применение МИМ
Универсальность метода МИМ позволяет реализовать на его основе специализированные микроскопы, адаптированные под исследовательские задачи в области материаловедения, микро- и наноэлектроники, а также биотехнологии.
Материаловедение
Применение МИМ в ряде исследований позволило создать оригинальные методики исследования оптических свойств наноматериалов, тонких пленок поляризующих покрытий и фотонных кристаллов [15].
Одним из актуальных направлений в материаловедении является анализ структуры и шероховатости сверхгладких поверхностей, например, кремниевых и GaAs подложек интегральных микросхем. Известно, что параметры шероховатости подложек наряду с наличием дефектов кристаллической решетки во многом определяют электрические и магнитные свойства формируемых на них элементов топологии. Применение МИМ для контроля шероховатости сверхгладких подложек позволило не только определять параметры шероховатости подложек со сверхразрешением, но и выявлять ряд дефектов, недоступных другим методам микроскопии, таких как, например низкочастотные колебания формы поверхности и механические напряжения. На рис. 2 приведены фазовые портреты GaAs подложек интегральных микросхем с шероховатостью Ra = 0,22 нм (рис. 2а), Ra = 0,6 нм (рис. 2б). Подложка, показанная на рис. 2б, имеет низкочастотные пространственные колебания формы, приводящие
28 “Оптический журнал”, 78, 1, 2011
(а)
PM L 1/2 WP
AD
WLC
T
LED
BS1 O1
объект S
BS2
O2 Uмод
PMD
PM
PBS
(б)
PM L 1/2 WP
AD
WLC
T
BS2 O2
BS1 O1 LED объект S
PMD PM
PBS
Рис. 1. Оптическая схема микроскопа МИМ-300. Навигационный канал белого света (а) и лазерный измерительный канал (б). Пояснения к схемам в тексте.
нм
2
0
20
мкм
10
0
(а)
10
(б)
нм
2 0
20 мкм
20
мкм
10
0
20
мкм
10
Рис. 2. Фазовые портреты GaAs подложек интегральных микросхем. Ra = 0,22 нм (а) и Ra = 0,6 нм (б).
(а)
90
T||, %
80 70 3,3
y, мкм 10
(б)
3,3
10
x, мкм
20
15
Kd
10
(в)
20
T , % 60
40 20
20
20
x, мкм
10
5
20
y, мкм
10
10
x, мкм
0
y, мкм 10
0
Рис. 3. Распределение коэффициента пропускания тонкой пленки покрытия LCD дисплея для поляризации P-типа (а) и S-типа (б), распределение коэффициента дихроизма (в).
(а) (б)
(в)
h, нм
0,03 мкм
нм
120
140 60
70
0,2 мкм
0
0
0,2 0,4 0,6 0,8 мм (г) дефект
h, нм
20 0
x, мкм
0,8
1,2
y, мкм
0,8
0,4 0,4
0
Рис. 4. Топологический элемент интегральной микросхемы. Микрофотография (а), фазовый портрет (б), профиль поперечного сечения фазового портрета (в) и дефект в структуре флэш-памяти, находящийся под слоем SiO2 (г).
(а) (г)
2,5
Частота, Гц
2,0
(б)
1,5 1,0
h, нм
400
200
0 0
400
200
(в) 1
10
2
0,5
0
h, нм
1000 800
20
60 100
0 600
0 10 мкм
0 20 40 60 80 100 120
Время, с
Рис. 5. Исследование динамики нервных волокон. Микрофотография (а), фазовый портрет (б), профили сечений фазовых портретов вдоль линий 1 и 2 (в), скалограмма, полученная с помощью вейвлет-пре
образования (г).
к нарушению свойств наносимых элементов топологии.
Еще одним важным применением МИМ является неразрушающий контроль качества многослойных диэлектрических покрытий при производстве лазерных зеркал. Разработанные методики позволяют метрологически достоверно измерять шероховатость поверхности на уровне 0,2–0,3 нм.
Полный контроль поляризации, реализованный в МИМ, позволяет проводить уникальные эллипсометрические исследования тонких пленок оптически анизотропных материалов с размером пятна менее 100 нм. Практически важным применением таких исследований является контроль качества покрытий LCD дисплеев. На рис. 3 приведен пример определения коэффициента дихроизма поляризующего покрытия.
МИМ позволяет локализовать оптически активные области кристаллических наноструктурированных материалов, таких как фотонные кристаллы. Подобные исследования позволяют оценить размеры структурных элементов, что во многом определяет свойства кристалла.
Полупроводниковые технологии (микро- и наноэлектроника)
В настоящее время для анализа топологии интегральных схем (ИС) производители используют микроскопы на основе интерферометров белого света, однако латерального разрешения таких приборов недостаточно для анализа структур с вертикальными стенками, в то время как этот показатель (угол вертикальности стенки) весьма информативен и позволяет получать важную информацию о качестве элементов топологии на различных стадиях технологического процесса. Важно отметить, что в приборах МИМ на структурах с большим градиентом фазы между соседними точками изображения (например, граница раздела проводящего слоя и подложки) достигается латеральное разрешение до 10 нм. На рис. 4 показан топологический элемент интегральной микросхемы: изображение, полученное с помощью камеры белого света (рис. 4а), его фазовое изображение (рис. 4б) и фазовый профиль (рис. 4в) вдоль линии сечения. По профилю сечения была определена вертикальность стенки: ее ширина составила 30 нм при перепаде фазовой высоты профиля 150 нм.
Важным параметром при оценке качества изготовления ИС является шероховатость Ra
вертикальной стенки. В настоящее время для решения этих задач применяются атомносиловые микроскопы (АСМ) с кантилевером специальной формы, однако вследствие низкого быстродействия его применение в технологических линиях весьма проблематично. МИМ позволяет определять шероховатость вертикальной стенки с приемлемой для производителей точностью 0,3–0,5 нм.
Еще одним применением МИМ в микроэлектронике является поиск дефектов ИС, находящихся под слоем оптически прозрачного SiO2. Применение АСМ для решения подобных задач ограничено необходимостью послойной шлифовки поверхности образца. На рис. 4г показан приповерхностный дефект (размером 300 нм) в структуре флэш-памяти.
Биомедицинские исследования
В настоящее время в биологии и медицине актуальны задачи неинвазивного исследования морфологии клетки и ее метаболических процессов. Высокое пространственное разрешение, количественный характер получаемой информации и отсутствие необходимости применения дорогостоящих красителей позволяют использовать МИМ в качестве универсального инструмента для исследования оптических и динамических свойств живой клетки [16].
На основе метода МИМ была разработана методика исследования динамики изолированных нейронов сегментных ганглиев пиявки Hirudo medicinalis. Основная идея методики состоит в сопоставлении контрастных частот в спектрах флуктуаций фазовой высоты нейрона с функциональным состоянием клетки. Использование МИМ для изучения нерегулярных изменений в нейронах позволяет расширить диапазон наблюдаемых явлений и анализировать более тонкую структуру процессов регуляции состояния мембраны и цитоплазмы при генерации и проведении возбуждения в норме и при патологии [17]. В сочетании с современными алгоритмами обработки сигналов, такими как вейвлет и фонетический анализ, МИМ позволяет исследовать колебания миелиновой оболочки нервного волокна [18]. На рис. 5 приведены изображения нервного волокна в белом свете (рис. 5а), фазовое изображение (рис. 5б), профили сечения фазового изображения 1 и 2 (рис. 5в) и скалограмма, полученная с помощью вейвлетпреобразования. На скалограмме выделены ритмические компоненты с частотами 0,3, 0,5,
“Оптический журнал”, 78, 1, 2011
29
0,8 и 1,5 Гц, соответствующие определенным внутриклеточным процессам (рис. 5д). Показано, что ритмы 0,8–1,0 Гц соответствуют деятельности K+ каналов, ритмы в районе 1,5 Гц соответствуют колебаниям ворсинок Швановской клетки.
Возможность регистрации слабых (до 0,01) изменений показателя преломления внутри клетки используется для изучения фазовой микроморфологии клеток крови при различных воздействиях [19, 20].
Совместно с сотрудниками ВНИИВСГЭ был разработан оригинальный метод определения жизнеспособности спор микроспоридий рода Nosema по их фазовым изображениям [21]. Показано, что при действии на споры паров муравьиной кислоты и при термической обработке фазовая толщина спор снижалась на 30%. Обсуждается возможность применения разработанной методики для исследования спор грибковых заболеваний человека.
Обсуждение и выводы
Следует отметить, что кроме вышеописанных преимуществ, интерференционные микроскопы, в том числе и МИМ, имеют ряд ограничений, возможные варианты преодоления которых было бы интересно рассмотреть в рамках данной работы. В настоящей технической реализации МИМ максимальная регистрируемая фазовая высота рельефа микрообъекта ограничена половиной длины волны излучения используемого лазера. Это ограничение преодолевается путем использования специальных программ восстановления скачков фазовой высоты, возникающих при исследовании рельефа с перепадом высот больше λ/2. Данное ограничение также преодолевается за счет реализации системы сканирования по вертикали, например, на основе алгоритма прецизионного перемещения предметного столика или микрообъектива в объектном плече интерферометра.
Еще одной важной проблемой интерференционной микроскопии является борьба со спеклами, когерентными шумами и паразитной интерференцией. Важно отметить, что интерференционные методы микроскопии, регистрирующие фазовые изображения, принципиально не чувствительны к подобного рода шумам, однако при исследовании структур на пределе разрешения, например, подложек ИС, спеклы и когерентные шумы ухудшают качество изображений. В МИМ эта проблема решается
комплексно и включает использование высококачественной просветленной (R < 0,1%) оптики, применение оригинальных методов юстировки оптической системы и использование источников излучения с малой длиной когерентности.
Использование источников излучения с малой (менее 1 см) длиной когерентности, таких как суперлюминесцентные диоды, позволит значительно снизить уровень когерентных шумов. Здесь выявляется проблема оптимального сочетания малой длины когерентности и стабильности по частоте. Уменьшение времени получения кадра до 0,3 с позволяет использовать полупроводниковые лазеры с шириной линии в спектре генерации 5 нм. Эксперименты продемонстрировали возможность получения качественных изображений и достижения уровня шумов в фазовых изображениях менее 1 нм.
Для исследования образцов полупроводниковой промышленности необходима точная привязка области измерений к координатной сетке, обеспечив при этом большой (до 200 мм) диапазон перемещений, нанометровую точность позиционирования и систему обратной связи. Такая привязка необходима, например, для локализации дефектных структур на готовых вейферах. Для решения подобных задач разработана модификация МИМ, совмещенная со сверхпрецизионным координатным столом на основе бесконтактных магнито-аэростатических винтовых передач.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тычинский В.П. Микроскопия субволновых структур // УФН. 1996. Т. 166. № 11. С. 1219–1229.
2. Тычинский В.П. Когерентная фазовая микроскопия внутриклеточных процессов // УФН. 2001. Т. 171. № 6. С. 649–661.
3. Тычинский В.П. Динамическая фазовая микроскопия: возможен ли “диалог” с клеткой? // УФН. 2007. Т. 177. № 5. С. 535–552.
4. Вишняков Г.Н., Закарян К.С., Левин Г.Г., Стрелецкая Е.А. Исследование оптически прозрачных объектов при помощи томографического микроскопа Линника // Измерительная техника. 1999. № 1. С. 46–49.
5. Ikeda T., Popescu G., Dasari R., Feld M. Hilbert phase microscopy for investigating fast dynamics in transparent systems // Opt. Lett. 2005. V. 30. P. 1165–1167.
6. Popescu G. et al. Erythrocyte structure and dynamics quantified by Hilbert phase microscopy // J. Biomed. Opt. 2005. V. 10. P. 0605031–0605033.
30 “Оптический журнал”, 78, 1, 2011
7. http://www.veeco.com/promos/default.aspx?Pro moID=75&gclid=COCRzdOyuqACFQw9ZgodUnx BUA
8. http://zygo.com/?/met/interferometers/pti250/
9. Kwon F.H., Kim B.S., Cho K. A new scanning heterodyne interferometer scheme for mapping both surface structure and effective local reflection coefficient // Optics Express. 2008. V. 16. № 17. P. 13456–13464.
10. Индукаев К.В. Патент России № 2181498. 2001.
11. European Patent Application № 01922153.0-2217. 2001.
12. US Patent Application № 10/466,351. 2003.
13. Andreev V.A., Indukaev K.V. The problem of subrayleigh resolution in interference microscopy // Journal of Russian Laser Research. 2003. V. 24. № 3. P. 220–236.
14. Андреев В.А., Индукаев К.В. Распределение фазы Рытова-Владимирского в интерферометре Линника // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2000. № 5.
15. Игнатьев П.С., Индукаев К.В., Лопарев А.В., Осипов П.А. Новые аспекты применения МИМ310 для нанометрологии // Тез. докл. “Высокие технологии XXI века”. М., 2009. С. 17–23.
16. Лопарев А.В., Игнатьев П.С., Индукаев К.В., Осипов П.А., Мазалов И.Н., Козырев А.В. Высокоскоростной модуляционный интерференци-
онный микроскоп для медико-биологических исследований // Измерительная техника. 2009. № 11. С. 60–64.
17. Brazhe A.R., Brazhe N.A., Maksimov G.V., Ignatyev P.S., Rubin A.B., Mosekilde E., Sosnovtseva O.V. Phase-modulation laser interference microscopy: an advance in cell imaging and dynamics study // J Biomed Opt. 2007. V. 3. № 13. P. 034004.
18. Brazhe A.R., Brazhe N.A., Rodionova N.N., Yusipovich A.I., Ignatyev P.S., Maksimov G.V., Mosekilde E., Sosnovtseva O.V. Non-Invasive Study of Live Nerve Fibers using Laser Interference Microscopy // Phil. Trans. Roy. Soc. A. 2008. V. 366. № 1880. P. 3463–3481.
19. Игнатьев П.С., Индукаев К.В., Лопарев А.В., Осипов П.А. Новое поколение лазерных микроскопов для медико-биологических исследований // Тез. докл. II Московской региональной научнопрактической конференции “Цитометрия в медицине и биологии: фундаментальные и прикладные аспекты”. М., 2009. С. 34–36.
20. Лопарев А.В., Кретушев А.В., Тычинский В.П. Когерентная фазовая микроскопия: новый метод идентификации внутриклеточных структур по их оптическим и морфометрическим параметрам. Биофизика. 2008. Т. 53. № 2. С. 299–304.
21. Сохликов А.Б., Игнатьев П.С. Лазерная интерференционная микроскопия при нозематозе // Пчеловодство. 2008. № 6. С. 25–28.
“Оптический журнал”, 78, 1, 2011
31
УДК 681.723.26
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУР МЕТОДОМ МОДУЛЯЦИОННОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ МИКРОСКОПИИ
© 2011 г. П. С. Игнатьев; А. В. Лопарев; К. В. Индукаев; П. А. Осипов ООО “Лаборатория Амфора”, Москва Е-mail: ips@amphoralabs.ru
Разработан модуляционный интерференционный микроскоп с рекордно высоким латеральным разрешением (10–100 нм) и высокой (до 250 кадров в секунду) скоростью получения изображений. Приводятся описания оптической схемы прибора, принципов работы и проблем сверхвысокого оптического разрешения в фазовых изображениях. Обсуждаются возможные пути развития метода модуляционной интерференционной микроскопии, а также области применения метода для исследования наноструктурированных материалов, топологии интегральных микросхем и морфологии биологических объектов.
Ключевые слова: модуляционная интерференционная микроскопия, сверхразрешение, оптическая анизотропия, топология ИС, нанодинамика.
Коды OCIS: 180.3170, 170.1650
Поступила в редакцию 19.04.2010
Введение
В настоящее время методы интерференционной микроскопии успешно применяются для исследования оптических свойств широкого круга микрообъектов. Основными преимуществами интерференционной микроскопии являются высокое пространственное разрешение, неинвазивный характер измерения, отсутствие специальных требований к среде измерения (вакуум, красители). Исходя из этого, интерференционные микроскопы с успехом применяются в материаловедении, микроэлектронике и биомедицинских исследованиях.
Созданный в МИРЭА в 1984 г. когерентный фазовый микроскоп (КФМ) “Эйрискан” впервые подтвердил возможность сверхразрешения в фазовых изображениях [1]. Данный микроскоп представляет собой модифицированный микроинтерферометр МИИ-4 (ЛОМО), оснащенный фазовым модулятором в опорном плече и диссектором ЛИ-620 в качестве фотоприемной системы. Фаза отраженной от объекта волны измеряется методом временных интервалов [1]. Большинство работ, выполненных в МИРЭА, посвящено исследованию кле-
точной морфологии с высоким пространственным разрешением [2]. Высокое вертикальное разрешение “Эйрискана” сделало возможным исследование динамики внутриклеточных процессов [3]. Серьезным ограничением, затрудняющим применение КФМ в биомедицинских исследованиях, стало то, что время получения кадра варьировалось от 14 секунд до 15 минут в зависимости от его размера. Кроме того, интерфейсная плата КФМ “Эйрискан” для ПК позволяет работать только с операционной системой DOS, что также ограничивает его применение в составе современных программно-аппаратных комплексов.
Разработанный во ВНИИОФИ томографический микроскоп Линника удачно сочетает в себе возможности методов вычислительной томографии с методами фазовых шагов, что дает возможность измерения микрогеометрии, двулучепреломления и динамических характеристик измеряемых объектов [4]. Высокое быстродействие, возможность измерения двулучепреломления и томографическая реконструкция изображений предопределили его успешное применение в области оптических измерений, а также позволили внедрить эталон двулучепре-
26 “Оптический журнал”, 78, 1, 2011
ломления. Однако реализация метода фазовых шагов не позволила достичь сверхразрешения, что также ограничило область его применения для исследования наноразмерных структур.
Развитие вычислительной техники позволило разработать ряд интерференционных методов, в которых изображения строятся по одной интерферограмме. К таким методам относится метод Гильберт Фазовой Микроскопии (ГФМ) [5]. Благодаря “одношаговой” природе метода достигнуто быстродействие 600 кадров в секунду и показана возможность воспроизведения изображений в реальном времени. На основе ГФМ разработан оригинальный метод измерения показателя преломления однородных микрообъектов, например эритроцитов, получивший название интерференционная рефрактометрия [6]. Разрешение метода ГФМ ограничено числом интерференционных полос в поле зрения объектива, строго подчиняющимся законам дифракции, следовательно, такой подход принципиально не позволяет достичь оптического сверхразрешения.
Наиболее широкое распространение получили интерференционные методы, основанные на использовании некогерентных источников излучения. Эти методы легли в основу ряда приборов, производимых компаниями Wyko и Zygo, и успешно применяются в полупроводниковой промышленности для контроля топологии интегральных микросхем [7, 8]. Следует отметить, что латеральное разрешение таких микроскопов не превышает 250 нм, что также ограничивает возможности их применения при переходе на новые технологические стандарты в интегральной электронике.
C помощью сканирующей гетеродинной схемы интерферометра была показана возможность разделения вкладов в оптическую разность хода показателя преломления и геометрической высоты профиля объекта благодаря возможности одновременного захвата фазового и интенсивностного кадров [9]. Однако латеральное разрешение этого микроскопа ограничено дифракцией на объективе и составляет 0,67 мкм при использовании в качестве источника излучения He–Ne лазера (λ = 633 нм).
Из приведенного обзора следует вывод о перспективности применения методов интерференционной микроскопии для широкого круга исследований оптических свойств наноструктур, однако существующие методы не обеспечивают сочетание сверхразрешения и высокого быстродействия.
В настоящей работе рассматривается новая модификация модуляционного интерференционного микроскопа МИМ-300, который позволяет регистрировать распределение оптических параметров изучаемого микрообъекта (коэффициентов преломления, отражения, анизотропии) и предусматривает одновременное обеспечение высокого пространственного разрешения и быстродействия.
Метод МИМ
В основу оригинального метода МИМ положен принцип измерения локальных фаз промодулированной объектом световой волны [10–12].
Принципиальное отличие метода МИМ от вышеописанных методов интерференционной микроскопии заключается в том, что модуляция световой волны проводится по двум параметрам (фаза и поляризация). При этом сочетание высокого разрешения и быстродействия достигается за счет реализации нового алгоритма обработки интерферограмм, в котором удачно сочетаются возможность сверхразрешения фазометрических методов интерференционной микроскопии [13] с быстродействием методов фазовых шагов. Данный алгоритм предусматривает оптимальный выбор стартовой точки съема кадра в зависимости от положения керамики в опорном плече, а характер ее движения оптимизирован для увеличения частоты модуляции.
Оптическая схема лазерного канала представляет собой модификацию интерферометра Маха–Цандера с фазовым модулятором в опорном плече (рис. 1). Основное преимущество схемы Маха–Цандера состоит в возможности управления поляризацией, как в объектном, так и в опорном плечах интерферометра для последующей регистрации поворота плоскости поляризации, вносимого измеряемым образцом.
Управление поляризацией осуществляется при помощи автоматизированных поляризационных модуляторов (PM), позволяющих не только вращать плоскости поляризации объектного и опорного лучей интерферометра, но и изменять тип поляризации на эллиптическую или круговую.
Для выбора области записи фазового изображения микрообъекта в качестве источника освещения используется белый светодиод (LED), а амплитудное изображение регистрируется камерой белого света (WLC) (рис. 1а). В зависимости от типа микрообъекта и техники
“Оптический журнал”, 78, 1, 2011
27
исследования в качестве источника когерентного излучения могут быть использованы полупроводниковый (λ = 405 нм), твердотельный Nd:YVO4 (λ = 532 нм) и He–Ne (λ = 633 нм) лазеры. Измеряемый объект размещается на столе S под микрообъективом О1. Сколлимированный пучок от лазера L проходит через полуволновую пластинку (1/2WP) и затем расщепляется на поляризующем светоделителе PBS. Введение в оптическую схему полуволновой пластинки и поляризационного светоделителя позволило реализовать светоделитель с переменным коэффициентом деления интенсивности пучка. Это позволит добиваться оптимального контраста интерференционной картины в зависимости от коэффициента отражения изучаемого объекта и, следовательно, рационально использовать динамический диапазон CMOS камеры. Один из расщепленных пучков (объектный) фокусируется объективом О1 на объект S и после отражения от зеркальной подложки через светоделитель BS1 и телескопическую систему Т попадает на фотоприемник D. В качестве фотоприемника используется 12-битная CMOS камера Silicon Imaging модель SI – 1280f (рис. 1б).
Опорный пучок фокусируется объективом О2 на зеркало, закрепленное на пьезомодуляторе РМD, и после отражения от него также попадает на фотоприемник. Фазовое изображение формируется модернизированным трехшаговым методом. Для осуществления поляризационных исследований перед камерой D устанавливается анализатор А.
Принципиальным конструктивным отличием от предыдущих приборов МИМ является конструкция интерферометра, реализованная в едином “моноблоке”. Такая реализация позволила достичь высокой жесткости конструкции и минимизировать воздействие внешних факторов на интерферометр. Новая конструкция стола вертикальных подач позволила улучшить механические характеристики прибора и дала возможность позиционировать измеряемый объект по вертикали с дискретностью перемещения 5 нм и результирующей точностью 50 нм. Такие характеристики необходимы для реализации алгоритма, позволяющего измерять рельеф высотой до десятков микрон.
Использование встроенной памяти камеры позволило увеличить скорость получения фазовых изображений, что является актуальной задачей при исследовании быстропротекающих процессов, таких как колебания пьезокерамик
и динамика биологических объектов. Режим вычитания калибровочного кадра позволил исключить дефекты, вызванные “битыми” пикселами и реализовать дополнительный инструмент для борьбы со спеклами и другими дефектами изображения.
Использование вышеописанных технических решений позволило достичь разрешения менее 0,5 нм по вертикали и 15–100 нм – в плоскости объекта, что превышает предел разрешения существующих методов интерференционной микроскопии. Следует отметить, что разрешение при фазовых измерениях определяется характеристиками как самого сигнала, так и измерительного прибора [14].
Применение МИМ
Универсальность метода МИМ позволяет реализовать на его основе специализированные микроскопы, адаптированные под исследовательские задачи в области материаловедения, микро- и наноэлектроники, а также биотехнологии.
Материаловедение
Применение МИМ в ряде исследований позволило создать оригинальные методики исследования оптических свойств наноматериалов, тонких пленок поляризующих покрытий и фотонных кристаллов [15].
Одним из актуальных направлений в материаловедении является анализ структуры и шероховатости сверхгладких поверхностей, например, кремниевых и GaAs подложек интегральных микросхем. Известно, что параметры шероховатости подложек наряду с наличием дефектов кристаллической решетки во многом определяют электрические и магнитные свойства формируемых на них элементов топологии. Применение МИМ для контроля шероховатости сверхгладких подложек позволило не только определять параметры шероховатости подложек со сверхразрешением, но и выявлять ряд дефектов, недоступных другим методам микроскопии, таких как, например низкочастотные колебания формы поверхности и механические напряжения. На рис. 2 приведены фазовые портреты GaAs подложек интегральных микросхем с шероховатостью Ra = 0,22 нм (рис. 2а), Ra = 0,6 нм (рис. 2б). Подложка, показанная на рис. 2б, имеет низкочастотные пространственные колебания формы, приводящие
28 “Оптический журнал”, 78, 1, 2011
(а)
PM L 1/2 WP
AD
WLC
T
LED
BS1 O1
объект S
BS2
O2 Uмод
PMD
PM
PBS
(б)
PM L 1/2 WP
AD
WLC
T
BS2 O2
BS1 O1 LED объект S
PMD PM
PBS
Рис. 1. Оптическая схема микроскопа МИМ-300. Навигационный канал белого света (а) и лазерный измерительный канал (б). Пояснения к схемам в тексте.
нм
2
0
20
мкм
10
0
(а)
10
(б)
нм
2 0
20 мкм
20
мкм
10
0
20
мкм
10
Рис. 2. Фазовые портреты GaAs подложек интегральных микросхем. Ra = 0,22 нм (а) и Ra = 0,6 нм (б).
(а)
90
T||, %
80 70 3,3
y, мкм 10
(б)
3,3
10
x, мкм
20
15
Kd
10
(в)
20
T , % 60
40 20
20
20
x, мкм
10
5
20
y, мкм
10
10
x, мкм
0
y, мкм 10
0
Рис. 3. Распределение коэффициента пропускания тонкой пленки покрытия LCD дисплея для поляризации P-типа (а) и S-типа (б), распределение коэффициента дихроизма (в).
(а) (б)
(в)
h, нм
0,03 мкм
нм
120
140 60
70
0,2 мкм
0
0
0,2 0,4 0,6 0,8 мм (г) дефект
h, нм
20 0
x, мкм
0,8
1,2
y, мкм
0,8
0,4 0,4
0
Рис. 4. Топологический элемент интегральной микросхемы. Микрофотография (а), фазовый портрет (б), профиль поперечного сечения фазового портрета (в) и дефект в структуре флэш-памяти, находящийся под слоем SiO2 (г).
(а) (г)
2,5
Частота, Гц
2,0
(б)
1,5 1,0
h, нм
400
200
0 0
400
200
(в) 1
10
2
0,5
0
h, нм
1000 800
20
60 100
0 600
0 10 мкм
0 20 40 60 80 100 120
Время, с
Рис. 5. Исследование динамики нервных волокон. Микрофотография (а), фазовый портрет (б), профили сечений фазовых портретов вдоль линий 1 и 2 (в), скалограмма, полученная с помощью вейвлет-пре
образования (г).
к нарушению свойств наносимых элементов топологии.
Еще одним важным применением МИМ является неразрушающий контроль качества многослойных диэлектрических покрытий при производстве лазерных зеркал. Разработанные методики позволяют метрологически достоверно измерять шероховатость поверхности на уровне 0,2–0,3 нм.
Полный контроль поляризации, реализованный в МИМ, позволяет проводить уникальные эллипсометрические исследования тонких пленок оптически анизотропных материалов с размером пятна менее 100 нм. Практически важным применением таких исследований является контроль качества покрытий LCD дисплеев. На рис. 3 приведен пример определения коэффициента дихроизма поляризующего покрытия.
МИМ позволяет локализовать оптически активные области кристаллических наноструктурированных материалов, таких как фотонные кристаллы. Подобные исследования позволяют оценить размеры структурных элементов, что во многом определяет свойства кристалла.
Полупроводниковые технологии (микро- и наноэлектроника)
В настоящее время для анализа топологии интегральных схем (ИС) производители используют микроскопы на основе интерферометров белого света, однако латерального разрешения таких приборов недостаточно для анализа структур с вертикальными стенками, в то время как этот показатель (угол вертикальности стенки) весьма информативен и позволяет получать важную информацию о качестве элементов топологии на различных стадиях технологического процесса. Важно отметить, что в приборах МИМ на структурах с большим градиентом фазы между соседними точками изображения (например, граница раздела проводящего слоя и подложки) достигается латеральное разрешение до 10 нм. На рис. 4 показан топологический элемент интегральной микросхемы: изображение, полученное с помощью камеры белого света (рис. 4а), его фазовое изображение (рис. 4б) и фазовый профиль (рис. 4в) вдоль линии сечения. По профилю сечения была определена вертикальность стенки: ее ширина составила 30 нм при перепаде фазовой высоты профиля 150 нм.
Важным параметром при оценке качества изготовления ИС является шероховатость Ra
вертикальной стенки. В настоящее время для решения этих задач применяются атомносиловые микроскопы (АСМ) с кантилевером специальной формы, однако вследствие низкого быстродействия его применение в технологических линиях весьма проблематично. МИМ позволяет определять шероховатость вертикальной стенки с приемлемой для производителей точностью 0,3–0,5 нм.
Еще одним применением МИМ в микроэлектронике является поиск дефектов ИС, находящихся под слоем оптически прозрачного SiO2. Применение АСМ для решения подобных задач ограничено необходимостью послойной шлифовки поверхности образца. На рис. 4г показан приповерхностный дефект (размером 300 нм) в структуре флэш-памяти.
Биомедицинские исследования
В настоящее время в биологии и медицине актуальны задачи неинвазивного исследования морфологии клетки и ее метаболических процессов. Высокое пространственное разрешение, количественный характер получаемой информации и отсутствие необходимости применения дорогостоящих красителей позволяют использовать МИМ в качестве универсального инструмента для исследования оптических и динамических свойств живой клетки [16].
На основе метода МИМ была разработана методика исследования динамики изолированных нейронов сегментных ганглиев пиявки Hirudo medicinalis. Основная идея методики состоит в сопоставлении контрастных частот в спектрах флуктуаций фазовой высоты нейрона с функциональным состоянием клетки. Использование МИМ для изучения нерегулярных изменений в нейронах позволяет расширить диапазон наблюдаемых явлений и анализировать более тонкую структуру процессов регуляции состояния мембраны и цитоплазмы при генерации и проведении возбуждения в норме и при патологии [17]. В сочетании с современными алгоритмами обработки сигналов, такими как вейвлет и фонетический анализ, МИМ позволяет исследовать колебания миелиновой оболочки нервного волокна [18]. На рис. 5 приведены изображения нервного волокна в белом свете (рис. 5а), фазовое изображение (рис. 5б), профили сечения фазового изображения 1 и 2 (рис. 5в) и скалограмма, полученная с помощью вейвлетпреобразования. На скалограмме выделены ритмические компоненты с частотами 0,3, 0,5,
“Оптический журнал”, 78, 1, 2011
29
0,8 и 1,5 Гц, соответствующие определенным внутриклеточным процессам (рис. 5д). Показано, что ритмы 0,8–1,0 Гц соответствуют деятельности K+ каналов, ритмы в районе 1,5 Гц соответствуют колебаниям ворсинок Швановской клетки.
Возможность регистрации слабых (до 0,01) изменений показателя преломления внутри клетки используется для изучения фазовой микроморфологии клеток крови при различных воздействиях [19, 20].
Совместно с сотрудниками ВНИИВСГЭ был разработан оригинальный метод определения жизнеспособности спор микроспоридий рода Nosema по их фазовым изображениям [21]. Показано, что при действии на споры паров муравьиной кислоты и при термической обработке фазовая толщина спор снижалась на 30%. Обсуждается возможность применения разработанной методики для исследования спор грибковых заболеваний человека.
Обсуждение и выводы
Следует отметить, что кроме вышеописанных преимуществ, интерференционные микроскопы, в том числе и МИМ, имеют ряд ограничений, возможные варианты преодоления которых было бы интересно рассмотреть в рамках данной работы. В настоящей технической реализации МИМ максимальная регистрируемая фазовая высота рельефа микрообъекта ограничена половиной длины волны излучения используемого лазера. Это ограничение преодолевается путем использования специальных программ восстановления скачков фазовой высоты, возникающих при исследовании рельефа с перепадом высот больше λ/2. Данное ограничение также преодолевается за счет реализации системы сканирования по вертикали, например, на основе алгоритма прецизионного перемещения предметного столика или микрообъектива в объектном плече интерферометра.
Еще одной важной проблемой интерференционной микроскопии является борьба со спеклами, когерентными шумами и паразитной интерференцией. Важно отметить, что интерференционные методы микроскопии, регистрирующие фазовые изображения, принципиально не чувствительны к подобного рода шумам, однако при исследовании структур на пределе разрешения, например, подложек ИС, спеклы и когерентные шумы ухудшают качество изображений. В МИМ эта проблема решается
комплексно и включает использование высококачественной просветленной (R < 0,1%) оптики, применение оригинальных методов юстировки оптической системы и использование источников излучения с малой длиной когерентности.
Использование источников излучения с малой (менее 1 см) длиной когерентности, таких как суперлюминесцентные диоды, позволит значительно снизить уровень когерентных шумов. Здесь выявляется проблема оптимального сочетания малой длины когерентности и стабильности по частоте. Уменьшение времени получения кадра до 0,3 с позволяет использовать полупроводниковые лазеры с шириной линии в спектре генерации 5 нм. Эксперименты продемонстрировали возможность получения качественных изображений и достижения уровня шумов в фазовых изображениях менее 1 нм.
Для исследования образцов полупроводниковой промышленности необходима точная привязка области измерений к координатной сетке, обеспечив при этом большой (до 200 мм) диапазон перемещений, нанометровую точность позиционирования и систему обратной связи. Такая привязка необходима, например, для локализации дефектных структур на готовых вейферах. Для решения подобных задач разработана модификация МИМ, совмещенная со сверхпрецизионным координатным столом на основе бесконтактных магнито-аэростатических винтовых передач.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тычинский В.П. Микроскопия субволновых структур // УФН. 1996. Т. 166. № 11. С. 1219–1229.
2. Тычинский В.П. Когерентная фазовая микроскопия внутриклеточных процессов // УФН. 2001. Т. 171. № 6. С. 649–661.
3. Тычинский В.П. Динамическая фазовая микроскопия: возможен ли “диалог” с клеткой? // УФН. 2007. Т. 177. № 5. С. 535–552.
4. Вишняков Г.Н., Закарян К.С., Левин Г.Г., Стрелецкая Е.А. Исследование оптически прозрачных объектов при помощи томографического микроскопа Линника // Измерительная техника. 1999. № 1. С. 46–49.
5. Ikeda T., Popescu G., Dasari R., Feld M. Hilbert phase microscopy for investigating fast dynamics in transparent systems // Opt. Lett. 2005. V. 30. P. 1165–1167.
6. Popescu G. et al. Erythrocyte structure and dynamics quantified by Hilbert phase microscopy // J. Biomed. Opt. 2005. V. 10. P. 0605031–0605033.
30 “Оптический журнал”, 78, 1, 2011
7. http://www.veeco.com/promos/default.aspx?Pro moID=75&gclid=COCRzdOyuqACFQw9ZgodUnx BUA
8. http://zygo.com/?/met/interferometers/pti250/
9. Kwon F.H., Kim B.S., Cho K. A new scanning heterodyne interferometer scheme for mapping both surface structure and effective local reflection coefficient // Optics Express. 2008. V. 16. № 17. P. 13456–13464.
10. Индукаев К.В. Патент России № 2181498. 2001.
11. European Patent Application № 01922153.0-2217. 2001.
12. US Patent Application № 10/466,351. 2003.
13. Andreev V.A., Indukaev K.V. The problem of subrayleigh resolution in interference microscopy // Journal of Russian Laser Research. 2003. V. 24. № 3. P. 220–236.
14. Андреев В.А., Индукаев К.В. Распределение фазы Рытова-Владимирского в интерферометре Линника // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2000. № 5.
15. Игнатьев П.С., Индукаев К.В., Лопарев А.В., Осипов П.А. Новые аспекты применения МИМ310 для нанометрологии // Тез. докл. “Высокие технологии XXI века”. М., 2009. С. 17–23.
16. Лопарев А.В., Игнатьев П.С., Индукаев К.В., Осипов П.А., Мазалов И.Н., Козырев А.В. Высокоскоростной модуляционный интерференци-
онный микроскоп для медико-биологических исследований // Измерительная техника. 2009. № 11. С. 60–64.
17. Brazhe A.R., Brazhe N.A., Maksimov G.V., Ignatyev P.S., Rubin A.B., Mosekilde E., Sosnovtseva O.V. Phase-modulation laser interference microscopy: an advance in cell imaging and dynamics study // J Biomed Opt. 2007. V. 3. № 13. P. 034004.
18. Brazhe A.R., Brazhe N.A., Rodionova N.N., Yusipovich A.I., Ignatyev P.S., Maksimov G.V., Mosekilde E., Sosnovtseva O.V. Non-Invasive Study of Live Nerve Fibers using Laser Interference Microscopy // Phil. Trans. Roy. Soc. A. 2008. V. 366. № 1880. P. 3463–3481.
19. Игнатьев П.С., Индукаев К.В., Лопарев А.В., Осипов П.А. Новое поколение лазерных микроскопов для медико-биологических исследований // Тез. докл. II Московской региональной научнопрактической конференции “Цитометрия в медицине и биологии: фундаментальные и прикладные аспекты”. М., 2009. С. 34–36.
20. Лопарев А.В., Кретушев А.В., Тычинский В.П. Когерентная фазовая микроскопия: новый метод идентификации внутриклеточных структур по их оптическим и морфометрическим параметрам. Биофизика. 2008. Т. 53. № 2. С. 299–304.
21. Сохликов А.Б., Игнатьев П.С. Лазерная интерференционная микроскопия при нозематозе // Пчеловодство. 2008. № 6. С. 25–28.
“Оптический журнал”, 78, 1, 2011
31