3.2. Устройство и принцип действия микроскопа «Вертиваль»

Микроскоп «Вертиваль» предназначен для наблюдения непрозрачных объектов в отраженном падающем свете в светлом и темном поле для работы в микроэлектронной промышленности. Увеличение микроскопа составляет 63-600 крат в зависимости от применяемых объективов и окуляров. Принципиальная оптическая схема микроскопа представлена на рис.2.

При наблюдении объектов в светлом поле свет источника 1, собираемый коллектором 2, направляется зеркалом 3 и линзой 4 в плоскость апертурной диафрагмы 5, изображение которой зеркалом 6, бифокальной линзой 7 и отражателем 8 проецируется в плоскость выходного зрачка объектива 9. Изображение полевой диафрагмы 10 проецируется бифокальной линзой 7, отражателем 8 и объективом 9 в плоскость объекта 11.

Для работы в темном поле в ход лучей включаются кольцевая диафрагма 12 и зеркало 13 и полностью открываются апертурная и полевая диафрагмы. Вид кольцевой диафрагмы показан на рис.5.

Рис.5. Кольцевая диафрагма.

В этом случае лучи от источника света проходят через линзу 7 широким пучком. Затем центральная часть пучка срезается кольцевой диафрагмой 12, а краевые лучи пучка направляются кольцевым зеркалом 13, включаемым вместо отражателя 8 в зеркальный конденсор объектива 9 и далее на объект. Апертура объектива и зеркального конденсора рассчитаны так, что в объектив могут попасть только те лучи, которые рассеивается объектом, чем и достигается светлое изображение объекта на темном поле зрения. Внешний вид конденсора темного поля показан на

Рис. 6. Конденсор темного поля.

От объекта лучи, пройдя объектив и линзу 14, падают на призму 15, направляются в визуальный тубус и проецируют изображение объекта в плоскость полевой диафрагмы окуляров 16 бинокулярной насадки 17.

Основные узлы конструкции микроскопа обозначены непосредственно на корпусе «Вертиваля» (с правой стороны). Фокусировка на объект осуществляется перемещением предметного столика по вертикали двумя концентрически расположенными рукоятками грубой и точной фокусировки, которые находятся справа и слева на штативе. Вам предоставлены для работы 2 сменные объектива, которые устанавливаются с помощью соединения «ласточкиного хвоста». Объективы имеют различные параметры - увеличение и апертуру, значения которых указываются на корпусе объектива. Предметный столик имеет механизм координатного перемещения объекта. Перемещение объекта осуществляется с помощью рукояток, расположенных под предметным столиком.

4. Методические указания.

4.1. Положите на предметный столик микроскопа фрагмент пленочной микросхемы (образец №1). Включите осветитель. Установите объектив с цифрой 1. С помощью рукояток фокусировки настройте изображение объекта на резкость (перемещайте столик аккуратно, следя, чтобы поверхность образца не касалась объектива).

4.2. Рассмотрите внимательно образец, перемещая его в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В данном образце элементы структуры представляют собой металлические пленки, нанесенные на поверхность стеклокристаллической подложки. На контактные площадки, предназначенные для соединения с внешними цепями, нанесен слой припоя. Исследуйте влияние диафрагм на получаемое изображение объекта, изменяя размеры диафрагм с помощью соответствующих органов управления на микроскопе. Наиболее четко влияние апертурной диафрагмы можно наблюдать на изображении контактных площадок. Зафиксируйте свои наблюдения в отчете.

4.3. Повторите п.п.4.1., 4.2. при большем увеличении, установив объектив 2. Установите объектив №1. Смените образец.

4.4. Образец №2 представляет собой пластину кремния с кристаллами больших интегральных схем (БИС). Фотография одного из кристалла показана на рис.7. В пластине кремния формируются области с различным типом проводимости. Поверхность кремния покрыта тонким слоем окисла (стекла), на котором видны токоведующие элементы из алюминия (серебристо-белого цвета). Толщина окисла над областями с различной проводимостью разная, поэтому эти области на изображении в микроскопе отличаются по цвету (интерференция в тонких пленках).

Повторите п.п.4.1., 4.2..

4.5. Установите режим темного поля и повторите п.п.4.1., 4.2. Обратите внимание на изображение в темном поле структуры алюминия, и также на изображение на поверхности пластины мелких посторонних частиц. Снимите с объектива №2 конденсор темного поля, для чего держа левой рукой соединение «ласточкино гнездо» правой отворачивайте конденсор против часовой стрелки. Рассмотрите устройство конденсора и зарисуйте его сечение. Установите конденсор на место.

4.6. Определение размеров объекта. Совершенно очевидна необходимость уметь определять точные размеры структур, изучаемых с помощью микроскопа. Измерение микроскопических объектов называется микрометрией. Для этого существуют специальные шкалы, или микрометры. Одну такую шкалу (окулярмикрометр) вставляют в окуляр, а другую (объектмикрометр) помещают на предметный столик. Обе шкалы равномерные, причем абсолютное значение одного деления известно только для объектмикрометра.

Обращайтесь с микрометрами осторожно, следите, чтобы на них не осталось отпечатков пальцев. Держите их только за края, чтобы случайно не поцарапать.

Прежде чем измерять с помощью окулярмикрометра какой-нибудь объект, нужно установить цену деления окулярмикрометра при каждом из увеличений. Иными словами, нужно откалибровать окулярмикрометр. Для этого на предметный столик помещают вместо препарата объектмикрометр и отсчитывают, сколько его делений приходится на известное число делений окулярмикрометра при данном увеличении. В окуляр для правого глаза установлен окулярмикрометр, шкалу которого Вы можете наблюдать.

Порядок действий следующий:

1. На предметный столик поместите объект-микрометр (см. рис.7). Свет должен падать на шкалу (она должна быть хорошо видна в микроскоп). Цена деления объектмикрометра n_ом может быть 0,1 или 0,01 мм (эта величина на нем указана). Зная ее, вы можете рассчитать абсолютное значение одного деления окулярмикрометра для данного увеличения

2. Поставьте на место объектив малого увеличения и медленно поднимайте его винтом грубой настройки до тех пор, пока шкала не попадет в фокус.

3. Вращая линзу окуляра, установите шкалу окулярмикрометра параллельно шкале объектмикрометра, а затем передвиньте последнюю так, чтобы показания обеих шкал можно было сопоставлять (см. рис.7).

4. Установите объектив, при котором будете проводить измерения (объектив с максимальным для данного объекта увеличением).

5. Повторите п.3.

6. Определите возможно более точно, сколько делений объектмикрометра приходится на известное число делений окулярмикрометра. (Чем больше делений вы возьмете, тем большей будет точность). Определите цену деления шкалы окуляра как , где N_{ом –} число делений шкалы объектмикромеетра, N_ок - целое число делений шкалы окуляра между начальными и конечными совпадающими штрихами обеих шкал.

7. Не меняя увеличение, положите на предметный столик вместо объект-микрометра пластину БИС и настройте микроскоп на резкое изображение объекта. Пользуясь перемещением объекта по координатным осям, определите по шкале окуляра размеры структур БИС (измеряемые структуры указываются преподавателем.

8. Произведите измерение размеров для пяти различных точек, результаты измерений и вычислений занесите в табл. 1.

Рис.7. Внешний вид объект микрометра отраженного света.

9. Уберите образцы и детали микроскопа на место и выключите осветитель.

10. Рассчитайте разрешающую способность микроскопа при различных длин волн света в диапазоне от 200 до 800 нм через 50 нм., результаты расчета представьте в таблице2 и в виде графика зависимости разрешающей способности микроскопа от длины волны.

Таблица 1

№ n l lср Δlср Ед.изм. 1.

Таблица 2

№	λ	ξ
Ед.изм.
1.

Контрольные вопросы

1. В чем проявляется волновая природа света?

2. Опишите устройство биологического микроскопа и укажите назначение его основных частей.

3. Изобразите ход лучей в микроскопе.

4. Что называется пределом разрешения и разрешающей способностью микроскопа? Апертурным углом объектива?

5. Какое максимальное увеличение используется в оптических измерениях? Почему?

6. Укажите способы увеличения разрешающей способности микроскопа.

7. Как влияет размер апертурной диафрагмы на изображение?

8. Как влияет размер полевой диафрагмы на изображение?

9. Какие лучи используются при светлопольном режиме? При темнопольном режиме?

10. Изобразите ход лучей в микроскопе для светлопольного и темногопольного режима.

11. Какие элементы БИС лучше видны в темнопольном режиме? Почему?

12. Для чего используется темнопольный режим работы микроскопа7