eng
Выпуск #7/2025
В. Плебанович, В. Гришкевич
МИКРОСКОПИЯ В ОБЛАСТИ ГЛУБОКОГО УЛЬТРАФИОЛЕТА: ПРИНЦИПЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУКЕ
МИКРОСКОПИЯ В ОБЛАСТИ ГЛУБОКОГО УЛЬТРАФИОЛЕТА: ПРИНЦИПЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУКЕ
Просмотры: 838
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.249.7.120.124
Рассматриваются физические основы и практика применения DUV-микроскопии. Развитие лазерных технологий и появление новых датчиков, современных оптических материалов открывает путь к ее широкому внедрению в микроэлектронике, биомедицине и материаловедении.
Рассматриваются физические основы и практика применения DUV-микроскопии. Развитие лазерных технологий и появление новых датчиков, современных оптических материалов открывает путь к ее широкому внедрению в микроэлектронике, биомедицине и материаловедении.
Микроскопия в области глубокого ультрафиолета: принципы и перспективы применения в промышленности и науке
В. Плебанович, к.т.н., В. Гришкевич
Рассматриваются физические основы и практика применения DUV-микроскопии, которая занимает нишу между классической оптической и электронной микроскопией и предлагает высокое разрешение при сохранении простоты работы с образцами.
Развитие лазерных технологий и появление новых датчиков, новых оптических материалов открывает путь к ее широкому внедрению в микроэлектронике, биомедицине и материаловедении.
Решение задач, стоящих при исследовании наноструктур, полупроводниковых изделий и биомедицинских исследований требуют применения методов визуализации со значительно более высоким разрешением, чем этого можно достичь в оптическом диапазоне. Традиционная оптическая микроскопия ограничена дифракционным пределом. Максимальное разрешение, которое может быть достигнуто в видимой части спектра (диапазон 400–780 нм), составляет приблизительно L/S (Line/Space) 260 нм, что позволяет рассматривать элементы с размерами 1000 нм и более. Электронная микроскопия, несмотря на высокое разрешение (около 0,1 нм), имеет существенные ограничения, связанные с подготовкой прибора и необходимостью использования глубокого вакуума.
В этом контексте ультрафиолетовая, а особенно глубоко ультрафиолетовая (DUV, Deep Ultraviolet) микроскопия представляет собой перспективную альтернативу, сочетающую высокое пространственное разрешение с относительной простотой использования. Максимальное разрешение, которое может быть достигнуто в DUV (диапазон 190–250 нм) составляет L/S 120 нм, что позволяет рассматривать элементы с размерами 480 нм и более и проводить визуальный анализ структур с элементами субмикронных размеров. Данный обзор посвящен физическим основам и практике применения DUV-микроскопии.
Физические основы DUV-микроскопии
Дифракционный предел и разрешающая способность
Дифракционный предел – это минимальное значение размера пятна, которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение. Меньший размер пятна не поз-
воляет получить явление дифракции электромагнитных волн. Дифракционный предел был открыт в 1873 году Эрнстом Аббе [1]. Два точечных источника считаются разрешимыми, когда главный дифракционный максимум одного изображения совпадает с первым минимумом другого. Согласно критерию Рэлея, минимальное разрешение оптической системы (d) определяется соотношением:
d = 0,61λ/NA,
где: λ – длина волны излучения, NA – числовая апертура объектива.
При использовании DUV-излучения с высокоапертурной оптикой (NA=0,95) теоретически достижимое разрешение составляет 120 нм, что сравнимо с разрешением конфокальной микроскопии с суперразрешением.
Если объект наблюдения представляет собой одну точку, то информация о нем будет крайне недостаточной для проведения анализа, поэтому фирма Zeiss ввела понятие «минимальный наблюдаемый элемент» [3].
Согласно их определения «Минимальный наблюдаемый элемент – это объект, который можно достоверно идентифицировать». Считается, что надежно наблюдать можно минимальный элемент, который более чем в четыре раза больше теоретического предела разрешения оптической системы.
Источники DUV-излучения
Эксимерные лазеры (ArF – 193 нм; KrF – 248 нм) – высокая мощность, сложные системы управления, большое потребление электроэнергии, высокая стоимость.
Лазеры на монокристаллах (с гармониками 200–360 нм) – компактность, стабильность.
Волоконные лазеры (с гармониками 200–360 нм) – компактность, стабильность, низкое тепловыделение.
LED (с длиной волны 220–360 нм) – компактность, стабильность излучения, низкое тепловыделение; недостатки: малая мощность (220–240 нм – микроватты; >260 нм – милливатты), большая ширина спектра излучения.
Ртутные и ксеноновые лампы с узкополосными фильтрами – бюджетный вариант, низкая интенсивность излучения, малое время жизни, высокое тепловыделение.
В настоящий момент большинство источников излучения доступно для применения и каждый год появляются новые предложения с улучшенными характеристиками.
Взаимодействие DUV с веществом
Различают следующие виды взаимодействия.
Глубокий ультрафиолет сильно поглощается большинством материалов. (Глубина проникновения составляет ~10–100 нм).
Материалы с различными коэффициентами поглощения в DUV имеют высокую контрастность.
Облучение DUV приводит к возбуждению автофлуо-ресценции.
Взаимодействие DUV с веществом позволяет получать больше информации о поверхностных слоях исследуемого образца, за счет большей контрастности можно видеть незначительные остатки слоев или привнесенные пленки, за счет автофлуоресценции – наблюдать остатки органического материала.
Оптические системы для DUV-микроскопии
Особенности оптики
Стандартное стекло (например, BK7) непрозрачно для DUV, поэтому используются следующие материалы:
Предложение материалов для оптики в диапазоне DUV сильно ограничено, а требования к качеству значительно растут. Также ужесточаются требования и к качеству обработки оптических поверхностей.
Детектирование
Для детектирования применяются:
кремниевые ПЗС-матрицы (чувствительны до ~190 нм);
специализированные сенсоры на основе GaN, AlN для глубокого УФ.
Применение DUV-микроскопии
Полупроводниковая промышленность
Оперативный визуальный контроль и анализ дефектов в процессе производства микросхем с субмикронными проектными нормами, анализ дефектов фотошаблонов и структур с разрешением, сравнимым с разрешением РЭМ.
Поиск органических загрязнений по автофлуоресценции.
Измерение линейных субмикронных размеров.
Измерение толщин прозрачных и полупрозрачных пленок – анализ по интерференционным спектрам толщины диэлектриков (SiO2, Si3N4 и др.) [2].
Биология и медицина
Бесконтактная визуализация ДНК/РНК (автофлуоресценция при 250 нм).
Исследование белковых агрегатов (амилоиды, фибриллы) без окрашивания [4].
Материаловедение
Анализ кристаллографической структуры материалов (например, цеолитов).
Анализ поверхности материалов после механообработки.
Анализ структурных и поверхностных дефектов материалов после испытаний.
Поиск органических и инородных включений.
Сравнение
с альтернативными методами
Сравнение метода DUV-микроскопии с другими методами приводится в табл.1.
Перспективы и ограничения
Технологические вызовы
Ограниченная глубина фокуса (200–300 нм) – требуется наличие стабильно работающей автофокусировки, системы подавления вибраций.
Малое поле зрения – автоматизированный выход в точку контроля по координатам, ведение базы данных контрольных точек.
Применение специализированных самых современных лазеров и детекторов, оптических систем – высокая стоимость.
Деградация оптики – DUV вызывает деградацию просветляющих покрытий оптики.
Будущее развитие
Гибридные системы (DUV + конфокальная микроскопия).
DUV-спектроскопия для химического анализа на наноуровне.
Предложение ОАО «Оптоэлектронные системы» по серийно поставляемым рабочим местам контроля, работающих в ультрафиолете (UV – микроскопия) и глубоком ультрафиолете (DUV – микроскопия).
UV- микроскопия
Микроскоп автоматизированный, работающий в ультрафиолетовой области спектра (λ=365 нм), МА-300 [5] предназначен для контроля структур ИМС на полупроводниковых пластинах диаметром до 200 мм при производстве изделий электронной техники для работы в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
Режимы работы:
в видимой области спектра – отраженный свет (светлое и темное поле);
в ультрафиолетовой области спектра – отраженный свет (светлое поле).
Оптические характеристики микроскопа МА-300 приведены в табл. 2.
DUV-микроскопия
Комплекс высокоразрешающий аналитический, работающий в ультрафиолетовой области спектра (λ=248 нм) ГУФ [3] предназначен для контроля структур ИМС на полупроводниковых пластинах диаметром до 200 мм при производстве изделий электронной техники для работы в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
Режимы работы:
в видимой области спектра – отраженный свет (светлое и темное поле);
в ультрафиолетовой области спектра – отраженный свет (светлое поле).
Оптические характеристики комплекса DUV-микроскопии приведены в табл. 3.
Заключение
DUV-микроскопия занимает нишу между классической оптической и электронной микроскопией, предлагая высокое разрешение при сохранении простоты работы с образцами. Развитие лазерных технологий и появление новых датчиков, новых оптических материалов открывает путь к ее широкому внедрению в микроэлектронике, биомедицине и материаловедении.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на улучшение устойчивости оптики к DUV-излучению;
разработку компактных и экономичных источников;
интеграцию с методами машинного обучения для автоматического анализа изображений.
ЛИТЕРАТУРА
https://ru.wikipedia.org/wiki/Smith A. (2023). DUV Microscopy for Semiconductor Inspection // Nature Photonics.
ZEISS Academy Microscopy, https://www.zeiss.com/Zhang L. (2022). Deep UV Imaging of Biomolecules Without Labeling // Science Advances.
ОАО «Оптоэлектронные системы», https://www.optes.by/
В. Плебанович, к.т.н., В. Гришкевич
Рассматриваются физические основы и практика применения DUV-микроскопии, которая занимает нишу между классической оптической и электронной микроскопией и предлагает высокое разрешение при сохранении простоты работы с образцами.
Развитие лазерных технологий и появление новых датчиков, новых оптических материалов открывает путь к ее широкому внедрению в микроэлектронике, биомедицине и материаловедении.
Решение задач, стоящих при исследовании наноструктур, полупроводниковых изделий и биомедицинских исследований требуют применения методов визуализации со значительно более высоким разрешением, чем этого можно достичь в оптическом диапазоне. Традиционная оптическая микроскопия ограничена дифракционным пределом. Максимальное разрешение, которое может быть достигнуто в видимой части спектра (диапазон 400–780 нм), составляет приблизительно L/S (Line/Space) 260 нм, что позволяет рассматривать элементы с размерами 1000 нм и более. Электронная микроскопия, несмотря на высокое разрешение (около 0,1 нм), имеет существенные ограничения, связанные с подготовкой прибора и необходимостью использования глубокого вакуума.
В этом контексте ультрафиолетовая, а особенно глубоко ультрафиолетовая (DUV, Deep Ultraviolet) микроскопия представляет собой перспективную альтернативу, сочетающую высокое пространственное разрешение с относительной простотой использования. Максимальное разрешение, которое может быть достигнуто в DUV (диапазон 190–250 нм) составляет L/S 120 нм, что позволяет рассматривать элементы с размерами 480 нм и более и проводить визуальный анализ структур с элементами субмикронных размеров. Данный обзор посвящен физическим основам и практике применения DUV-микроскопии.
Физические основы DUV-микроскопии
Дифракционный предел и разрешающая способность
Дифракционный предел – это минимальное значение размера пятна, которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение. Меньший размер пятна не поз-
воляет получить явление дифракции электромагнитных волн. Дифракционный предел был открыт в 1873 году Эрнстом Аббе [1]. Два точечных источника считаются разрешимыми, когда главный дифракционный максимум одного изображения совпадает с первым минимумом другого. Согласно критерию Рэлея, минимальное разрешение оптической системы (d) определяется соотношением:
d = 0,61λ/NA,
где: λ – длина волны излучения, NA – числовая апертура объектива.
При использовании DUV-излучения с высокоапертурной оптикой (NA=0,95) теоретически достижимое разрешение составляет 120 нм, что сравнимо с разрешением конфокальной микроскопии с суперразрешением.
Если объект наблюдения представляет собой одну точку, то информация о нем будет крайне недостаточной для проведения анализа, поэтому фирма Zeiss ввела понятие «минимальный наблюдаемый элемент» [3].
Согласно их определения «Минимальный наблюдаемый элемент – это объект, который можно достоверно идентифицировать». Считается, что надежно наблюдать можно минимальный элемент, который более чем в четыре раза больше теоретического предела разрешения оптической системы.
Источники DUV-излучения
Эксимерные лазеры (ArF – 193 нм; KrF – 248 нм) – высокая мощность, сложные системы управления, большое потребление электроэнергии, высокая стоимость.
Лазеры на монокристаллах (с гармониками 200–360 нм) – компактность, стабильность.
Волоконные лазеры (с гармониками 200–360 нм) – компактность, стабильность, низкое тепловыделение.
LED (с длиной волны 220–360 нм) – компактность, стабильность излучения, низкое тепловыделение; недостатки: малая мощность (220–240 нм – микроватты; >260 нм – милливатты), большая ширина спектра излучения.
Ртутные и ксеноновые лампы с узкополосными фильтрами – бюджетный вариант, низкая интенсивность излучения, малое время жизни, высокое тепловыделение.
В настоящий момент большинство источников излучения доступно для применения и каждый год появляются новые предложения с улучшенными характеристиками.
Взаимодействие DUV с веществом
Различают следующие виды взаимодействия.
Глубокий ультрафиолет сильно поглощается большинством материалов. (Глубина проникновения составляет ~10–100 нм).
Материалы с различными коэффициентами поглощения в DUV имеют высокую контрастность.
Облучение DUV приводит к возбуждению автофлуо-ресценции.
Взаимодействие DUV с веществом позволяет получать больше информации о поверхностных слоях исследуемого образца, за счет большей контрастности можно видеть незначительные остатки слоев или привнесенные пленки, за счет автофлуоресценции – наблюдать остатки органического материала.
Оптические системы для DUV-микроскопии
Особенности оптики
Стандартное стекло (например, BK7) непрозрачно для DUV, поэтому используются следующие материалы:
- чистый (оптический) кварц (SiO2) – прозрачны до ~180 нм;
- фторидные материалы (CaF2, MgF2) – работают в диапазоне 120–7000 нм;
- зеркальная оптика – для минимизации потерь.
Предложение материалов для оптики в диапазоне DUV сильно ограничено, а требования к качеству значительно растут. Также ужесточаются требования и к качеству обработки оптических поверхностей.
Детектирование
Для детектирования применяются:
кремниевые ПЗС-матрицы (чувствительны до ~190 нм);
специализированные сенсоры на основе GaN, AlN для глубокого УФ.
Применение DUV-микроскопии
Полупроводниковая промышленность
Оперативный визуальный контроль и анализ дефектов в процессе производства микросхем с субмикронными проектными нормами, анализ дефектов фотошаблонов и структур с разрешением, сравнимым с разрешением РЭМ.
Поиск органических загрязнений по автофлуоресценции.
Измерение линейных субмикронных размеров.
Измерение толщин прозрачных и полупрозрачных пленок – анализ по интерференционным спектрам толщины диэлектриков (SiO2, Si3N4 и др.) [2].
Биология и медицина
Бесконтактная визуализация ДНК/РНК (автофлуоресценция при 250 нм).
Исследование белковых агрегатов (амилоиды, фибриллы) без окрашивания [4].
Материаловедение
Анализ кристаллографической структуры материалов (например, цеолитов).
Анализ поверхности материалов после механообработки.
Анализ структурных и поверхностных дефектов материалов после испытаний.
Поиск органических и инородных включений.
Сравнение
с альтернативными методами
Сравнение метода DUV-микроскопии с другими методами приводится в табл.1.
Перспективы и ограничения
Технологические вызовы
Ограниченная глубина фокуса (200–300 нм) – требуется наличие стабильно работающей автофокусировки, системы подавления вибраций.
Малое поле зрения – автоматизированный выход в точку контроля по координатам, ведение базы данных контрольных точек.
Применение специализированных самых современных лазеров и детекторов, оптических систем – высокая стоимость.
Деградация оптики – DUV вызывает деградацию просветляющих покрытий оптики.
Будущее развитие
Гибридные системы (DUV + конфокальная микроскопия).
DUV-спектроскопия для химического анализа на наноуровне.
Предложение ОАО «Оптоэлектронные системы» по серийно поставляемым рабочим местам контроля, работающих в ультрафиолете (UV – микроскопия) и глубоком ультрафиолете (DUV – микроскопия).
UV- микроскопия
Микроскоп автоматизированный, работающий в ультрафиолетовой области спектра (λ=365 нм), МА-300 [5] предназначен для контроля структур ИМС на полупроводниковых пластинах диаметром до 200 мм при производстве изделий электронной техники для работы в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
Режимы работы:
в видимой области спектра – отраженный свет (светлое и темное поле);
в ультрафиолетовой области спектра – отраженный свет (светлое поле).
Оптические характеристики микроскопа МА-300 приведены в табл. 2.
DUV-микроскопия
Комплекс высокоразрешающий аналитический, работающий в ультрафиолетовой области спектра (λ=248 нм) ГУФ [3] предназначен для контроля структур ИМС на полупроводниковых пластинах диаметром до 200 мм при производстве изделий электронной техники для работы в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
Режимы работы:
в видимой области спектра – отраженный свет (светлое и темное поле);
в ультрафиолетовой области спектра – отраженный свет (светлое поле).
Оптические характеристики комплекса DUV-микроскопии приведены в табл. 3.
Заключение
DUV-микроскопия занимает нишу между классической оптической и электронной микроскопией, предлагая высокое разрешение при сохранении простоты работы с образцами. Развитие лазерных технологий и появление новых датчиков, новых оптических материалов открывает путь к ее широкому внедрению в микроэлектронике, биомедицине и материаловедении.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на улучшение устойчивости оптики к DUV-излучению;
разработку компактных и экономичных источников;
интеграцию с методами машинного обучения для автоматического анализа изображений.
ЛИТЕРАТУРА
https://ru.wikipedia.org/wiki/Smith A. (2023). DUV Microscopy for Semiconductor Inspection // Nature Photonics.
ZEISS Academy Microscopy, https://www.zeiss.com/Zhang L. (2022). Deep UV Imaging of Biomolecules Without Labeling // Science Advances.
ОАО «Оптоэлектронные системы», https://www.optes.by/
Отзывы читателей
