现代光学导论第二次.ppt

1,可见光: 波长 4000 7600 (1 = 10-10m),频率 7.510143.91014Hz,光是电磁波,内容回顾1,2,认识和改造世界,光学是一门研究光（粒子流和电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。,光的控制：透镜、放大镜、显微镜、望远镜,1 放大镜,2.1 视放大率,增大视角，产生放大作用；,应使无限远目标成像，即平行光入射。,l：物距。明视距离 l=250mm,物体应置于放大镜前焦点附近； f =250mm，无放大作用； f 250mm，越小放大作用越大。,2 显微镜,显微镜的总放大率等于物镜的横向放大率与目镜视放大率的乘积。,3 望远镜,无限远目标成像在无限远；,由物镜目镜组成；物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合。,望远镜放大率：, 爱里斑半角宽度,2.2 分辨率/分辨本领,可分辨,刚可分辨,不可分辨,瑞利判据,点光源中央衍射亮斑中心恰好与另一点光源的第一衍射极小(暗纹)相重合.,瑞利判据:,成像仪器最小分辨角：,最小分辨两物间距：,人眼最小分辨角：,分辨极限：,i. 圆孔：,ii. 单缝：,iii. 眼睛：,iv. 显微镜：,分辨本领产生的根源是有限尺寸通光元件边界的衍射!,分辨率/分辨本领R,显微镜：,d不会很大,可,不可选择,可,望远镜：,电子显微镜的分辨率光学显微镜的分辨率。,如直径30m 的射电望远镜。,电子 ：0.1 1, 电子显微镜分辨本领很高,可观察物质结构。,R等于最小分辨角的倒数, 即:,射电望远镜,波多黎各射电望远镜,普通光学显微镜,普通生物显微镜由3部分构成，即： 照明系统，包括光源和聚光器； 光学放大系统，由物镜和目镜组成，是显微镜的主体； 机械装置，用于固定材料和观察方便。,电子枪,电子光学镜筒,样品台,成像和计算机控制部分,电源和真空系统,当速度u远小于光速c时为:,电子波长的计算,当速度u与光速c可比时为:,不同加速电压下电子波的波长,加速电压（kV）,电子波长(nm),20,30,50,100,200,0.00859,0.00698,0.00536,0.00370,0.00251,观察到的各种细胞,雨水中的微生物,光学显微镜,列文虎克,2.3 认识世界的显微镜,不断突破认识极限的过程,R.虎克在17世纪中期制做的复式显微镜,19世纪中期的显微镜,20世纪初期的显微镜,带自动照相机的光学显微镜,荷兰范-艾格蒙特摄影工作室的维姆范艾格蒙特用相差技术拍摄的放大160倍的海洋硅藻Licmophora flabellata,荷兰范-艾格蒙特摄影工作室的维姆范艾格蒙特用微分干涉相差技术拍摄的放大100倍后的受精卵内的鱼类胚胎,荧光显微镜照片（微管呈绿色、微丝红色、核蓝色），图片来自,美国俄勒冈州分子探测公司的杰罗德萨利斯布里使用荧光技术拍摄的放大600倍的印度黄麂的皮肤纤维原细胞,美国维吉尼亚公司的阿隆迈辛用偏振光技术拍摄的放大25倍后的荠菜种子,电子显微镜,电子显微镜下的蚊子,最早的巨型电子显微镜,高电压下 电子流 波长很短,（10 0000 ）,第一台透射电子显微镜光路图及其与光学显微镜的类比,这是Ruska在1931-1933年完成的。从这时起，电子显微镜的基本光学原理始终没有改变过。后来的改进主要是提高分辨本领和使用性能等。,300,700,SEM micrograph of a micromachine,树枝石-一种矿物,High-resolution SEI. Specimen: Evaporated gold particles on carbon film.,TEM和SEM,透射成像 扫描成像 分辨率 价格,1947年贝尔实验室发明 世界第一只点接触晶体管,1957 at Texas Instruments Jack Kilby,Bardeen and Walter Brattain; Bell Labs 1947,第一个平面集成电路 1961 at Fairchild Robert Noyce,这才是采用硅基平面双极型集成电路（不是单个器件）制造中光刻工艺技术的开始!,仙童半导体第一只商品化原始平面晶体管,1959年研制成功,1952年，光刻工艺,达默早在1952年就指出，由半导体构成的晶体管，可以把它们组装在一块平板上而去掉之间的连线。,2.3 改造世界的光学仪器,自从1958年世界上出现第一块平面集成电路开始算起，在短短的五十年中，微电子技术以令世人震惊的速度突飞猛进地发展，创造了人间奇迹。人类社会、世界、科学、未来都离不开微电子。 作为微电子技术工艺基础的微光刻技术与微纳米加工技术是人类迄今为止所能达到的精度最高的加工技术。 1980年左右曾经有人预言：光刻线宽不能小于1微米 1989年曾经有预言：到1997年光刻技术将走到尽头 1994年也曾经有比较乐观的长期预测，2007年线宽达到0.1微米（保守的预计为0.5微米） 这些预测都被光刻技术神话般的进步的步伐远远抛在后头 ！ 过去的几十年中证明，只要通过光刻技术的专家们的努力，就有办法实现当时看来已经超过现有光刻工艺物理极限的加工精度，不断地编写着新的神话。,微电子技术每十年产生一代的技术进步,2012年04月24日下午 英特尔在北京天文馆举行发布会，正式发布了核心代号为Ivy Bridge的第三代酷睿处理器。Ivy Bridge是英特尔首款22纳米工艺处理器，而当前的Sandy Bridge处理器采用32纳米工艺制造。Ivy Bridge核芯显卡升级为HD Graphics 4000，是Intel首款支持DX11的GPU核心。,首次引入了英特尔的3D晶体管技术，晶体管数量由SNB的11.6亿个增加为14亿个，首次内建了USB 3.0功能 英特尔称首批Ivy Bridge超极本6月5日开售,3-D三栅极晶体管技术,英特尔中国区总裁杨叙先生,80年代：VLSI CMOS,90年代： ULSI CMOS,20世纪末： SOI CMOS IC,到如今越来越复杂的CMOS 集成电路,HeCd 442nm Laser Diode 405nm Argon-lon 363nm,海德堡200/ 2000/ 8000 激光光刻系统 HAIDELBERG Laser-Lithography System,电子束光刻技术 E-Beam Lithography,JEOL JBX6300FS 纳米电子束直写光刻系统,加速电压25/50/100KeV；ZrO/W 场发射灯丝；最大8英寸硅片；图形扫描频率12-50MHz,HSQ Fox16 胶厚400nm 线宽30nm,5nm宽格栅,JEOL JBX 6300FS,30nm器件,20nm点阵,10nm线条,最大直写片子尺寸Max. wafer size: 12 inch (300mm) 最小电子束斑 Min. Beam spot diameter: 4nm 位置及套刻精度 Position, over layer accuracy: 20nm,JBX 9300 电子束直写系统,Electron beam lithograph: JBX-9300 E beam writer,主机,台面,片夹,Si,Si,ZEP520 1m,ZEP520 1m,Beam Current: 15nA Sensitivity: 3210C/cm2 Designed pattern width: 48nm Scanning Step: 16nm Writing result: 100nm,Beam Current: 100nA Sensitivity: 1792C/cm2 Designed pattern width: 1nm Scanning Step: 42nm Writing result: 250nm,10nm CD Uniformity within 500m field (40nm pitch L&S),400nm,10 nm,100kV 600pA HSQ (30 nm) 6400 C/cm2,Writing Mode: 100 kV Current: 6 nA Resist: HSQ 130 nm Sensitivity: 5500 C/cm2,15 nm,High beam current exposure (100kV) (500nm pitch L/S pattern writing with 1m thick resist),100kV ； 100nm ZEP520 ；50nm pitch 32295C/cm2 100pA Nickel-chromium lift-off,JBX 9300 电子束光刻系统,ZEP520 100nm密集线,ZEP520 70nm点阵,清华大学纳米中心JBX6300FS电子束曝光实验结果,PMMA 50nm密集线,PMMA 60nm密集线,PMMA 30nm孤立线,ZEP520 刻蚀Si 100nm宽900nm深,双层胶PMMA-MMA,PMMA 180nm厚 MMA 320nm厚,结构120nm-370nm,双层胶ZEP-MMA,结构95nm-170nm,ZEP 300nm厚 MMA 320nm厚,Au Ag 剥离 100nm,HSQ 网格结构 22nm,HSQ 胶厚180nm,清华大学纳米中心JBX6300FS电子束曝光实验结果,张立辉,HSQ 网格结构 17nm,HSQ 网格结构 17nm,SU-8 胶厚1200nm,HSQ 网格结构 100nm,SU-8 网格结构 100nm,SU-8 线条 300nm,纳米棒阵列的可控“自组装”,46,减少纳米棒的数目,500 nm,段辉高博士,定向倒覆制造纳米结构的研究,3电子光学-几何光学的拓展,电子光学电子 在电磁场中运动和电子 在电磁场中聚焦 、成像、偏转等 规律的学科。,参考文献,1 K. Tsuno, E. Munro and J. Orloff (Ed.). Handbook of Charged Particle Optics, CRC Press, 1997, Boca Raton. 2 西门纪业, 电子光学正则理论与束流计算，北京：国防工业出版社，1994