高真空光刻样品CCD显微观察装置

　　1　引　言

　　利用激光和原子相互作用来改变原子的运动状态是量子光学领域的一个很活跃的分支,通常称为“原子光学”,20世纪70年代以来,人们借助光的辐射压力,陆续实现了原子束的偏转、准直、减速和会聚,实现了原子蒸汽的冷却、捕陷,并观察到了玻色—爱因斯坦凝聚现象等。原子光刻是原子光学领域很有应用前景的分支之一,也是这些基础成果转向高技术应用的一个重要方向。它的基本原理是利用共振光的辐射压力或光抽运作用使原子束的密度或内态在空间形成特定分布,然后使原子束沉积在基板上或使基板上的特殊膜层“曝光”,从而在基板上形成纳米级的微细条纹、点阵或人们所需的特定图案[1,2]。图1是用光梯度场控制原子制作纳米光栅阵列的原理图。光操纵原子都是在高真空的环境条件下进行的,实验所刻蚀出的微细图形一般都是利用电子扫描显微镜或原子力显微镜(AFM)等复杂昂贵的仪器设备来检测分析。这样对实验进程中工艺参数的调整,实验现象的观察带来不便。为了顺利开展原子光刻的研究工作,研制了一套用于高真空系统中原子光刻样品的CCD显微观察装置,该系统由光学显微系统、CCD(摄像头)、图像采集卡、计算机等几个部分组成,其结构简单,应用方便,得到的图像清晰。

　　2　观察系统工作原理

　　图2是该装置的原理图。由光源发出的光线经集光镜会聚后由半反半透棱镜分光后经聚光镜将载物台上的样品均匀地照明。样品的微细结构经显微物镜成像放大,由CCD摄像头接收,CCD摄取的图像经图像采集卡采集输入计算机,也可直接接入监视器观察。其中,显微物镜和样品均处于真空换样室中。

　　3　系统设计考虑[3]

　　3.1　照明系统的设计考虑

　　实验对照明系统基本要求是要保证被观察样品表面有足够的照度;保证被照明的视场范围足够大,而且均匀;保证被照明部分各点发出的光束能充满显微物镜的全部孔径;尽可能减少杂光;满足整个实验装置的尺寸布局要求。

　　为了真实地记录样品的结构状态,首先须考虑光源和照度的匹配的问题。从色度学知道,物体的颜色与照明光源的光谱功率分布有关。光源的色温到5000K时,它发出的光就呈亮色,同时,400nm～600nm波段内的光谱功率也将增大,这对改善系统的目视色度很有益处。因此,光源宜选用高色温的卤素灯以改善系统的色度特性。

　　系统照明方式采用柯拉照明方式,这种照明方式具有自己的优点:充分利用光能,满足光孔转接原则;可安放可调的视场光阑,控制照明视场的大小,防止杂光进入,提高信噪比;照明均匀。当入射角等于零的正反射方式照明时,显微物镜可以兼作聚光镜用。此时在物镜上方,以半透半反射镜分光。由于不需要将灯丝成像在物镜上,为了简化结构,可将灯丝直接成像在镜框上,如图3所示。