矢量光共焦掃描顯微系統(tǒng)納米標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備與物理測(cè)量精度*

李瀟男 關(guān)國榮 劉憶琨 梁浩文 張愛琴 周建英?

1)(中山大學(xué),光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510275)

2)(中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,廣州 510275)

針對(duì)超分辨領(lǐng)域分辨率測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的缺失情況,本文介紹了一種用于納米尺度分辨率測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)樣品的設(shè)計(jì)方案和制備方法,該樣品適用于矢量光共聚焦激光掃描顯微系統(tǒng).該設(shè)計(jì)方案包含一系列測(cè)量圖案和明確的指示標(biāo)記,具有測(cè)量范圍寬、線寬梯級(jí)序列分布合理、制備精度高等特點(diǎn).首先在非晶硅片上實(shí)現(xiàn)硅納米標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備,并經(jīng)過多次探索工藝,提高了測(cè)試圖案的精度.光學(xué)測(cè)試結(jié)果證實(shí)該納米標(biāo)樣可用于分辨率測(cè)試,同時(shí)測(cè)得矢量光共聚焦激光掃描顯微鏡的分辨率為96 nm (n=1.52,405 nm光源).針對(duì)硅納米標(biāo)準(zhǔn)樣品低對(duì)比度的問題,本文提供石英片上金屬納米標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備方法作為補(bǔ)充.納米標(biāo)準(zhǔn)樣品的實(shí)現(xiàn),為點(diǎn)掃描式超分辨顯微鏡的分辨率指標(biāo)提供了一種更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試途徑,同時(shí)能夠?yàn)轱@微鏡的調(diào)試提供原理性指導(dǎo).測(cè)試中發(fā)現(xiàn)納米尺度的光學(xué)成像效果除了受到樣品形貌的影響外,還受到到樣品的光電物性的影響,其相互作用機(jī)理尚待進(jìn)一步深入研究.

1 引 言

自光學(xué)顯微鏡問世以來,顯微鏡性能的提高就成為備受關(guān)注的研究課題.在過去的幾十年里,為了突破衍射極限[1],人們發(fā)明了一系列的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨光學(xué)顯微技術(shù),如受激輻射損耗顯微鏡、結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡、光激活定位顯微鏡和隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微鏡等,這些超分辨技術(shù)依賴于特殊的熒光標(biāo)記蛋白和復(fù)雜的光路,可以達(dá)到50 nm甚至20 nm的分辨率[2,3].利用特殊的透鏡或者探針,近場(chǎng)顯微技術(shù)[4]也可以實(shí)現(xiàn)突破衍射極限的目的.

除此之外,共聚焦激光掃描顯微鏡(confocal laser scanning microscopy,CLSM)因具有高分辨率與深度選擇性也得到廣泛應(yīng)用[5].相對(duì)于其他方法,它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非侵入式、無需樣品的先驗(yàn)知識(shí),因此適用于大多數(shù)樣品,在生物活體研究方面有很大優(yōu)勢(shì).不過,在一般條件下(空氣環(huán)境中或油浸),它的分辨率只達(dá)到180 nm左右,不及幾種常用的熒光超分辨顯微技術(shù).近年來,有不少關(guān)于柱對(duì)稱矢量光場(chǎng)的研究提供了提高CLSM分辨率的方法.利用經(jīng)空間調(diào)制的徑向偏振光可以得到一個(gè)更小的聚焦光斑,適用于空氣中、液體浸潤和固體浸潤環(huán)境中[6-9].文獻(xiàn)[10]采用532 nm波長(zhǎng)的高對(duì)稱徑向偏振光場(chǎng)為激發(fā)光源,通過光場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)CLSM的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的約束,實(shí)現(xiàn)了115 nm的分辨率,比一般的共聚焦顯微鏡提高了不少.該結(jié)果是在納米鋁三角島樣品上一個(gè)尖角處測(cè)得的,與許多文獻(xiàn)用到的分辨率測(cè)試方法類似[3,10-15],都是對(duì)分散的粒子或單一結(jié)構(gòu)成像,再根據(jù)結(jié)果算出該顯微鏡的分辨率.這種測(cè)試方法只能說明顯微鏡有能力分辨某一大小的物體或者某給定間隔的兩個(gè)物體,無法提供足夠多的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,也無法精確地描述超分辨顯微鏡的分辨率,故需要足夠精確與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄓ糜跍?zhǔn)確檢測(cè)矢量光場(chǎng)CLSM的分辨率.此外,在矢量光場(chǎng)CLSM中,矢量光場(chǎng)可以提供高對(duì)稱度的激發(fā)與探測(cè)方式[6],避免線性偏振光場(chǎng)的非對(duì)稱聚焦光斑[16],在這種情況下,更需要標(biāo)準(zhǔn)樣品來檢測(cè)各個(gè)方向上的偏差,以保證光路中光場(chǎng)的高對(duì)稱度,從而減小實(shí)驗(yàn)誤差.人們?cè)跈z測(cè)攝像機(jī)或傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的最佳分辨率時(shí),常用推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6161-2008 (等同于ISO 3334:2006標(biāo)準(zhǔn))中的ISO 2號(hào)解像力測(cè)試圖進(jìn)行測(cè)試[17],該解像力測(cè)試圖由一系列測(cè)試圖樣組成,單個(gè)測(cè)試圖樣包含兩組相互垂直的平行線段,每一組5條線段,線段的線寬與間隔等寬.該標(biāo)準(zhǔn)以測(cè)試圖樣的5條線段能否全部被辨別作為系統(tǒng)分辨能力的判斷依據(jù).參照該判斷依據(jù),針對(duì)CLSM點(diǎn)掃描式的特點(diǎn),本文提出納米分辨率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)樣品(以下簡(jiǎn)稱納米標(biāo)樣)應(yīng)具備以下特點(diǎn): 多方向的周期性測(cè)量圖案、合理緊密的線寬梯級(jí)序列分布、明確的指示標(biāo)記圖案、高精確度和高對(duì)比度等.

2 納米標(biāo)樣

2.1 設(shè)計(jì)方案

目前,與納米標(biāo)樣相關(guān)的成果包括: Stark團(tuán)隊(duì)[18]利用聚焦離子束刻蝕技術(shù),在摻有熒光分子的聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate),PMMA)電子膠上刻出若干等寬 (100 nm)的納米線條和同心圓環(huán); Iketaki團(tuán)隊(duì)[19]利用紫外納米壓印技術(shù),在染色紫外光刻膠上制備出多組納米線條,包含從80 nm到160 nm的線寬; Huebner團(tuán)隊(duì)[20]運(yùn)用電子束曝光與刻蝕技術(shù),在非晶硅上制備多組納米標(biāo)記圖案,包括線條、棋盤和圓環(huán)三種圖形,可用于多個(gè)方向上的分辨率測(cè)試.然而,以上方法都沒有合理的線寬梯級(jí)序列,無法達(dá)到精確測(cè)試超分辨顯微系統(tǒng)性能的目的.

圖1所示是本工作提供的納米標(biāo)樣設(shè)計(jì)方案,分為測(cè)量區(qū)域和指示標(biāo)記兩個(gè)區(qū)域.其中,測(cè)量區(qū)域包括了29個(gè)測(cè)量圖案,它們按照空間頻率遞增的方式,螺旋排列于測(cè)量區(qū)域.每一個(gè)測(cè)量圖案都包含了5個(gè)部件,包括一維光柵 (X方向和Y方向)、二維光柵、同心圓環(huán)光柵和數(shù)碼標(biāo)識(shí).在測(cè)量區(qū)域周圍四個(gè)方向上分布了大小兩種直角三角形指示標(biāo)記,它們指向測(cè)量區(qū)域,能夠明確地指出測(cè)量區(qū)域的位置.該設(shè)計(jì)方案具有測(cè)試功能齊全、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬、圖案排列緊湊、線寬序列分布合理、指示標(biāo)記巧妙等優(yōu)點(diǎn),適用于點(diǎn)掃描式的超分辨顯微系統(tǒng),如矢量光場(chǎng)CLSM.

圖1 納米標(biāo)樣設(shè)計(jì)示意圖 (a)納米標(biāo)樣總覽圖; (b)測(cè)量區(qū)域示意圖; (c)指示標(biāo)記示意圖,即(a)中紅框區(qū)域;(d)單個(gè)測(cè)量圖案示意圖,即(b)中紅框區(qū)域Fig.1.Designing of the nanoscale standard sample: (a)Overview of the standard sample; (b)measure area; (c)direction marks; (d)a single measure pattern.

另一方面,設(shè)計(jì)方案中不同的結(jié)構(gòu)線寬大小相差高達(dá)25倍,這會(huì)給制備帶來困難.在制備時(shí)要同時(shí)考慮效率與精確程度,應(yīng)采用不同工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu).

2.1.1 測(cè)量區(qū)域

測(cè)量區(qū)域是一個(gè)大小為 150 μm × 150 μm 的區(qū)域,測(cè)量區(qū)域的設(shè)計(jì)參考了GB/T 6161-2008 ISO 2號(hào)解像力測(cè)試圖[17],并加以改進(jìn),使之功能更全面.如圖1(b)所示,測(cè)量區(qū)域一共包括29個(gè)測(cè)量圖案,其梯級(jí)序列參考了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 321-2005所提供的R20系列優(yōu)先數(shù)[21],從1.0開始,以空間頻率遞增的方式呈螺旋排列.如圖1(d)所示,每個(gè)測(cè)量圖案包含的4組光柵(水平方向一維光柵、垂直方向一維光柵、二維光柵、同心圓環(huán)光柵)都是等間距分布,且結(jié)構(gòu)寬度與間隔相等,可以用于多方向的分辨率測(cè)試,同時(shí)可以用于檢驗(yàn)顯微系統(tǒng)的畸變情況.而數(shù)碼標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)測(cè)量圖案中各組光柵每微米空間頻率大小的兩倍,單位是cycles/μm,恰好是各組光柵結(jié)構(gòu)線寬(以μm為單位)的倒數(shù),因此通過辨認(rèn)數(shù)碼標(biāo)識(shí)就可以直接得出該測(cè)量圖案結(jié)構(gòu)的線寬大小.

綜上,測(cè)量圖案包含多個(gè)方向上的周期性結(jié)構(gòu),功能齊全,且擁有合理的線寬序列和緊湊的排列方式,只需要在測(cè)試區(qū)內(nèi)小范圍移動(dòng)樣品就可以快速找到臨界測(cè)試位置.一次測(cè)試結(jié)果就可以得到不同方向和位置的分辨率數(shù)據(jù),同時(shí)可以檢測(cè)畸變程度等其他性能指標(biāo),能夠有效全面地測(cè)試顯微鏡的性能,為矢量光場(chǎng)CLSM的性能測(cè)試和調(diào)試提供了一種更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐緩?

2.1.2 指示標(biāo)記

在點(diǎn)掃描式的CLSM中,要在空白背景下尋找150 μm × 150 μm大小的測(cè)量區(qū)域是非常困難的,因此需要指示標(biāo)記來幫助我們快速尋找測(cè)量區(qū)域的位置.

如圖1(c)所示,指示標(biāo)記為分布在測(cè)量區(qū)域四個(gè)方向上的直角三角陣列,以其最小的銳角為方向指向測(cè)量區(qū)域中心.指示標(biāo)記按照距離測(cè)量區(qū)域的遠(yuǎn)近分為兩種尺寸,一級(jí)標(biāo)記位于距測(cè)量區(qū)域500—1000 μm 的范圍,長(zhǎng)直角邊長(zhǎng) 2 μm,短直角邊長(zhǎng)1 μm; 二級(jí)標(biāo)記位于距測(cè)量區(qū)域10—500 μm的范圍,長(zhǎng)直角邊長(zhǎng)1 μm,短直角邊長(zhǎng)0.5 μm.

當(dāng)找到任意一個(gè)三角形標(biāo)記時(shí),通過觀察其指示方向和大小,即可直接得知測(cè)量區(qū)域的大致方位與距離,在測(cè)試中可快速定位到測(cè)量區(qū)域,提高實(shí)驗(yàn)效率.此外,用文獻(xiàn)[10]中類似的方法,利用該標(biāo)記的尖端也可以粗略測(cè)試顯微鏡的分辨率.

2.2 制備與檢測(cè)

首先制備了硅納米標(biāo)樣,適用于反射式矢量光場(chǎng)CLSM.制備過程使用厚度為500 μm的單拋非晶硅片作為襯底,將比例為1∶4的氫倍半硅氧烷薄膜 (hydrogen silsesquioxane,HSQ,采用 DOW公司FOxTM16型號(hào)產(chǎn)品)與甲基異丁酮(methyl isobutyl ketone,MIBK)混合溶液以旋涂工藝覆蓋到襯底上,并在90 ℃熱板上烘5 min,得到200 nm厚的電子抗蝕層,用于電子束曝光.完成曝光后,在四甲基氫氧化銨(tetramethylammo-nium hydroxide)顯影液中浸泡90 s,純水中浸泡30 s,氮?dú)獯蹈?得到帶有標(biāo)樣圖案的HSQ抗蝕層.

在納米加工中,線寬的準(zhǔn)確性通常是最重要的考慮因素[22].在制備過程中,曝光劑量、顯影時(shí)間和束斑步長(zhǎng)都會(huì)影響顯影后圖案的平面與截面的形狀,進(jìn)而影響刻蝕后結(jié)構(gòu)線寬的準(zhǔn)確性,而對(duì)于不同線寬大小的結(jié)構(gòu),這種影響的顯著程度是不同的.在未經(jīng)參數(shù)調(diào)整的情況下產(chǎn)出的樣品中,大線寬的結(jié)構(gòu)(標(biāo)識(shí)1—4.5)的誤差小于15 nm,相對(duì)誤差較小; 但是部分小線寬結(jié)構(gòu)(標(biāo)識(shí)5—25)的誤差可以達(dá)到25 nm左右,相對(duì)誤差最高達(dá)52.7%,標(biāo)識(shí)20—25的測(cè)試圖案甚至出現(xiàn)圖案不完整或者粘連的情況.

為了克服大線寬跨度帶來的制備困難,盡可能保證線寬的精確性,需要根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,按組進(jìn)行曝光劑量調(diào)整與線寬修正.在進(jìn)行電子束曝光時(shí),將圖案分為4組,采用不同的曝光劑量、不同大小的束斑步長(zhǎng)與不同的寬度修正等參數(shù)進(jìn)行曝光,經(jīng)過近十次的工藝探索,篩選出的具體曝光參數(shù)如表1所列,其中指示標(biāo)記對(duì)精確程度要求不高,使用大束流可以提高曝光效率.

表1 硅納米標(biāo)樣曝光參數(shù)Table 1.Exposure parameters of the silicon nanostandard sample.

完成顯影后,使用電感耦合等離子體刻蝕技術(shù),以溴化氫氣體作為刻蝕氣體,將HSQ抗蝕層的圖案轉(zhuǎn)移到硅片上,刻蝕深度200 nm.刻蝕后用10% 氫氟酸溶液浸泡樣品,去除殘留的HSQ抗蝕層,完成納米標(biāo)樣的制備.

制備完成后使用掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)檢驗(yàn)納米標(biāo)樣制備效果.圖2所示為硅納米標(biāo)樣各區(qū)域的形貌細(xì)節(jié).

利用SEM的測(cè)量功能,對(duì)每一個(gè)測(cè)試圖案中各組光柵的各結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次測(cè)量,取其平均值作為該測(cè)試圖案的線寬,并與設(shè)計(jì)線寬做比較,各測(cè)試圖案的誤差與相對(duì)誤差如圖3所示.

圖2表明,該樣品細(xì)節(jié)完整,圖案清晰,沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)殘缺或粘連的情況.圖3中誤差的分布情況表明各結(jié)構(gòu)的誤差都比較小,大部分測(cè)試圖案的相對(duì)誤差都保持在 ± 10%范圍內(nèi),僅有2個(gè)測(cè)試圖案(數(shù)碼標(biāo)識(shí)為16和25的測(cè)試圖案)超出該范圍.計(jì)算得到誤差平均值—5.93 nm,標(biāo)準(zhǔn)差為9.32 nm;同時(shí)也可以看出不同曝光參數(shù)使得不同組之間的誤差分布有明顯不同,第1組與第2組的誤差分布存在突變,但整體線寬更接近設(shè)計(jì)線寬.其中第1組(標(biāo)識(shí)1—4.5)整體線寬偏小,誤差最大,但其線寬大于200 nm,相對(duì)誤差很小,可以滿足衍射極限內(nèi)光學(xué)顯微鏡的分辨率測(cè)試要求; 第2組(標(biāo)識(shí)5—18)經(jīng)修正后,誤差得到縮小,絕對(duì)值小于12 nm;第3組(標(biāo)識(shí)20—25)的誤差絕對(duì)值小于5 nm,十分接近設(shè)計(jì)線寬.這種精度已經(jīng)可以滿足我們檢測(cè)超分辨顯微系統(tǒng)性能的要求.

圖2 硅納米標(biāo)樣SEM結(jié)果展示 (a)測(cè)量圖案全貌;(b)(a)中紅框部分的細(xì)節(jié)展示; (c)指示標(biāo)記Fig.2.SEM images of Si standard sample: (a)Overview of standard sample; (b)details of the red dash area in (a);(c)direction marks.

以上結(jié)果表明,以這種工藝制備得到的樣品,符合第1節(jié)提出的樣品要求,可以作為檢驗(yàn)矢量光場(chǎng)CLSM性能的標(biāo)準(zhǔn)樣品.

圖3 硅納米標(biāo)樣各測(cè)量圖案制備誤差分布,其中x軸采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸 (a)線寬誤差分布; (b)相對(duì)誤差分布Fig.3.Fabrication error distributions of the silicon nano standard sample,in which use logarithmic axis as x-axis:(a)Linewidth error distribution; (b)relative error distribution.

3 矢量光場(chǎng)CLSM光學(xué)測(cè)試

本次測(cè)試采用的顯微系統(tǒng)是本團(tuán)隊(duì)自主搭建的矢量光場(chǎng)CLSM,其結(jié)構(gòu)如圖4所示.該顯微鏡是在普通的共聚焦顯微鏡的光路中,加入了渦旋片與環(huán)形孔徑,得到經(jīng)空間調(diào)制的徑向偏振光,激發(fā)樣品,使系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)受到約束,從而提高顯微鏡的分辨率[10].

測(cè)試采用波長(zhǎng)為405 nm的線偏光作為矢量光場(chǎng)CLSM的光源,光線經(jīng)過渦旋半波片轉(zhuǎn)換成徑向偏振光,經(jīng)環(huán)形孔徑調(diào)制后稱為環(huán)形光場(chǎng),通過油浸物鏡 (Olympus UPlanSApo 100 ×/1.40,介質(zhì)油折射率n=1.5)聚焦到納米標(biāo)樣上,反射光線再反向經(jīng)過環(huán)形孔徑和渦旋片,轉(zhuǎn)換成線偏光,經(jīng)透鏡聚焦通過直徑為15 μm的針孔將光信號(hào)傳入光譜儀中.移動(dòng)納米平移臺(tái),逐點(diǎn)將信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)處理并輸出相應(yīng)結(jié)果.

圖4 矢量光場(chǎng)CLSM光路示意圖Fig.4.Optical path of vector beams field CLSM.

在矢量光場(chǎng)CLSM的成像分辨率測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,所使用的硅納米標(biāo)樣(未經(jīng)線寬修正)所有的測(cè)試圖案的線寬都經(jīng)SEM測(cè)量,與數(shù)碼標(biāo)識(shí)一一對(duì)應(yīng),將光學(xué)測(cè)試圖像與SEM圖像對(duì)比即可得出分辨率數(shù)據(jù).圖5展示了硅納米標(biāo)樣部分測(cè)試圖案光學(xué)掃描結(jié)果及SEM掃描結(jié)果的對(duì)比,第一行是光學(xué)掃描輸出結(jié)果,x-y軸均為相對(duì)位置,信號(hào)強(qiáng)度單位為光子數(shù),第二行是相應(yīng)的測(cè)試圖案電鏡掃描結(jié)果,用紅框標(biāo)出了第一行的圖案對(duì)應(yīng)的位置.其中5個(gè)測(cè)試圖案的結(jié)構(gòu)線寬經(jīng)SEM測(cè)量,分別是985,205,113,96和88 nm.初步分析表明,矢量光場(chǎng)CLSM的分辨率可以達(dá)到亞100 nm數(shù)量級(jí).同時(shí)由于受到樣品光電物性的影響,矢量光場(chǎng)CLSM讀出信號(hào)的強(qiáng)弱分布與樣品的形貌有關(guān),如圖5(a)中數(shù)碼標(biāo)識(shí)“1”字,其結(jié)構(gòu)連接處產(chǎn)生了強(qiáng)信號(hào).

4 討 論

為了排除偽解像力缺陷的現(xiàn)象,當(dāng)顯微鏡能分辨出某一組光柵(如一維光柵或者圓環(huán)光柵)全部的5個(gè)結(jié)構(gòu),才認(rèn)為該顯微鏡能夠分辨該測(cè)試圖案[17].若只分辨出4個(gè)或者更少的結(jié)構(gòu),則認(rèn)為無法分辨.

由于光與物質(zhì)的相互作用,圖5的光學(xué)掃描結(jié)果部分結(jié)構(gòu)之間的光場(chǎng)發(fā)生了相互干擾,降低了信號(hào)與背景對(duì)比度,也降低了信號(hào)的規(guī)律性,從而影響了直接用肉眼來判讀分辨率(特別是圖5(e)).但拋開其他指標(biāo),僅僅針對(duì)分辨率測(cè)試而言,可以通過繪制強(qiáng)度變化曲線,從曲線的斜率變化中找到結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的信號(hào),并確定可被分辨的結(jié)構(gòu)的數(shù)量.以圖5(d)中恰好能被分辨的最小測(cè)試圖案為例,如圖6所示.圖6(a)中白色虛線位置的信號(hào)強(qiáng)度變化可繪制為圖6(b)中的強(qiáng)度分布曲線.受相互作用現(xiàn)象影響,結(jié)構(gòu)信號(hào)都是弱信號(hào),而背景的強(qiáng)度波動(dòng)顯著,會(huì)給判讀帶來干擾.從強(qiáng)度曲線上可以找到5處類似于“缺口”的弱信號(hào)(曲線上紅色方形標(biāo)記)的位置,即為5處圓環(huán)結(jié)構(gòu),因此認(rèn)為矢量光場(chǎng)CLSM能夠分辨該測(cè)試圖案.相應(yīng)地,利用該方法,圖5(a)—(c)中的測(cè)試圖案都可以被完整分辨,對(duì)于圖5(e)乃至更小的測(cè)試圖案,則無法分辨.受限于篇幅,在此不一一展示.

圖5 硅納米標(biāo)樣部分掃描結(jié)果與SEM結(jié)果對(duì)比 第一行,矢量光場(chǎng)CLSM掃描結(jié)果; 第二行,對(duì)應(yīng)的SEM掃描結(jié)果,對(duì)應(yīng)位置已用紅框標(biāo)出Fig.5.Comparison between optical scanning images (first row)and SEM images (second row)of the Si standard sample.The corresponding positions are marked by red dash squares.

圖6 數(shù)據(jù)處理結(jié)果 (a)顯微系統(tǒng)分辨率臨界測(cè)量圖案;(b)是(a)中白色虛線位置信號(hào)強(qiáng)度分布曲線,根據(jù)曲線斜率的變化,從圓心出發(fā)可以找出5個(gè)弱信號(hào)(紅色方形),其坐標(biāo)的間隔也符合SEM掃描結(jié)果,因此認(rèn)為可以分辨Fig.6.Data analysis result: (a)The critical resolution measurement image obtained by microscopy; (b)amplitude distribution of white dash line,according to the slope variation,5 weak signal (red square marks)can be found.

從以上結(jié)果中得到的結(jié)論是: 該納米標(biāo)樣可用于矢量光場(chǎng)CLSM的分辨率測(cè)試,同時(shí)測(cè)得采用405 nm光源的矢量光場(chǎng)CLSM可以在介質(zhì)油環(huán)境(n=1.5)中達(dá)到96 nm的分辨率.在測(cè)試過程中也暴露了顯微系統(tǒng)的若干問題,由于嚴(yán)格對(duì)稱的矢量光場(chǎng)對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高,在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試后,得到的結(jié)果將出現(xiàn)變形,無法得到精細(xì)掃描的大范圍結(jié)果,需要進(jìn)一步加強(qiáng)顯微系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

理論研究結(jié)果表明[10,15],在矢量光場(chǎng)CLSM中使用合適的環(huán)形孔徑和針孔、約束系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),有望達(dá)到小于1/5λ的分辨率.以405 nm波長(zhǎng)為光源,矢量光場(chǎng)CLSM有望達(dá)到81 nm的分辨率,比532 nm光源理論上的分辨率(106 nm)更進(jìn)一步.不過目前矢量光場(chǎng)CLSM的分辨率離理論值還有一些差距,需要在后續(xù)調(diào)試中進(jìn)一步提高分辨率.

另一方面,圖5的光學(xué)掃描結(jié)果表明,納米尺度光學(xué)的成像會(huì)受到光場(chǎng)在納米結(jié)構(gòu)中的光子態(tài)密度、光場(chǎng)模式分布和樣品材料物性的影響,這種影響隨著線寬的減小而變得更加顯著,導(dǎo)致對(duì)比度下降,使得獲取到的圖像逐漸偏離掃描電鏡的物理形貌測(cè)量結(jié)果,阻礙分辨率的精確測(cè)量.

為此,在石英襯底上制備金屬結(jié)構(gòu)納米標(biāo)樣(簡(jiǎn)稱石英-金屬納米標(biāo)樣)被進(jìn)一步提出.該樣品(共兩層: 10 nm鈦和100 nm金,其中鈦層是為了增加結(jié)構(gòu)的黏附性)的分辨率測(cè)試圖案,適用于透射式與反射式的CLSM.石英-金屬納米標(biāo)樣的襯底與結(jié)構(gòu)的材料物性相差很大,反射率差達(dá)40%以上(405 nm),有望避開上述影響.首先在厚度為1 mm的石英玻璃上旋涂500 nm PMMA電子膠,再濺射50 nm厚的鋁層用于增強(qiáng)樣品導(dǎo)電性,經(jīng)過電子束曝光后,使用5%磷酸溶液50 ℃水浴去除鋁層,依次使用MIBK、異丙醇和純水浸泡顯影,得到帶測(cè)量圖案的PMMA層.采用電子束蒸鍍技術(shù)在樣品上蒸鍍10 nm鈦和100 nm金,最后用丙酮溶液浸泡樣品,去除PMMA殘膠,得到石英-金屬納米標(biāo)樣.

圖7所示為兩種不同材料樣品的光學(xué)掃描圖像的對(duì)比,選用掃描的對(duì)象是納米等邊三角形,材質(zhì)分別是石英襯底金屬材質(zhì)(邊長(zhǎng)4 μm)和硅材質(zhì)(邊長(zhǎng)0.8 μm),納米三角所處位置在圖中用紅色虛線標(biāo)出,x-y坐標(biāo)軸均表示相對(duì)位置,信號(hào)強(qiáng)度單位為光子數(shù).

反射光信號(hào)對(duì)比度C定義為

其中N為光子數(shù).

根據(jù)(1)式,石英/金屬納米三角的信號(hào)對(duì)比度為0.786,硅納米三角的信號(hào)對(duì)比度為0.099.計(jì)算結(jié)果表明,石英/金屬納米樣品比硅樣品擁有更高的反射率差和對(duì)比度,對(duì)于分辨率的精確測(cè)量將提供更大幫助.另一方面也可以看到,圖7(b)中硅三角島的光學(xué)成像結(jié)果也在一定程度上偏離了物理形貌,上述樣品的光電物性對(duì)光學(xué)顯微結(jié)果的作用機(jī)理尚待進(jìn)一步深入探討.

圖7 兩種不同材質(zhì)納米等邊三角的光學(xué)掃描結(jié)果對(duì)比(a)石英基底金屬納米等邊三角; (b)硅納米等邊三角Fig.7.Comparison between optical scanning images of two nano-triangles made from different materials: (a)A quartz substrate metal nano equilateral triangle; (b)a silicon nano equilateral triangle.

不過石英-金屬納米標(biāo)樣制備方法更復(fù)雜,制備精度受限于蒸鍍金屬材料(鈦和金)的顆粒大小,精度差于硅納米標(biāo)樣; 制備過程中線寬小于100 nm的結(jié)構(gòu)容易脫落,導(dǎo)致測(cè)試圖案不完整.這些問題對(duì)制備高質(zhì)量的石英/金屬納米標(biāo)樣帶來很大挑戰(zhàn),因此該制備方案還需進(jìn)一步探索,完善制備工藝,以制作出高質(zhì)量的石英-金屬納米標(biāo)樣.

5 結(jié) 論

綜上所述,在前人工作的基礎(chǔ)上,我們總結(jié)出適用于測(cè)量矢量光場(chǎng)共聚焦激光掃描顯微鏡分辨率的納米標(biāo)準(zhǔn)樣品的設(shè)計(jì)要求,并提供了設(shè)計(jì)方案和制備工藝,該納米標(biāo)樣提供40—1000 nm范圍內(nèi)分辨率的精確測(cè)量,具有多種類測(cè)試圖案、緊密的線寬梯級(jí)序列分布、較高的精度和巧妙的指示標(biāo)記,能夠在快速準(zhǔn)確地檢測(cè)顯微系統(tǒng)的最佳分辨率.首先利用電子束曝光與電感耦合等離子體刻蝕技術(shù),在非晶硅片上實(shí)現(xiàn)納米標(biāo)樣的制備,在此基礎(chǔ)上不斷探索工藝參數(shù),將線寬的誤差控制在合理范圍內(nèi).在光學(xué)掃描中檢驗(yàn)硅納米標(biāo)樣的應(yīng)用效果,使用405 nm光源的矢量光共聚焦激光掃描顯微鏡,精確檢測(cè)到顯微系統(tǒng)的分辨率達(dá)到96 nm(介質(zhì)油n=1.5),同時(shí)也暴露出顯微鏡穩(wěn)定性的不足,為顯微鏡進(jìn)一步的調(diào)試與改進(jìn)工作提供了指導(dǎo).測(cè)試中發(fā)現(xiàn),納米尺度的光學(xué)成像效果除了受到樣品形貌的影響外,還受到到樣品的光電物性的影響,其相互作用機(jī)理尚待進(jìn)一步深入研究.作為補(bǔ)充,本工作進(jìn)一步制備了石英基底金屬納米樣品,納米標(biāo)樣光學(xué)成像結(jié)果的低對(duì)比度問題得到改善,對(duì)于分辨率的精確測(cè)量將提供更大幫助.這一設(shè)計(jì)方案,為矢量光場(chǎng)CLSM的亞100 nm尺度的分辨率提供了一種更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試途徑,也為顯微系統(tǒng)調(diào)試改進(jìn)提供原理性指導(dǎo).

后續(xù)的工作將進(jìn)一步探索透明基底金屬納米標(biāo)樣更精確的制備工藝,做出更精確與更高對(duì)比度的納米標(biāo)準(zhǔn)樣品,為遠(yuǎn)場(chǎng)矢量光共聚焦顯微鏡探尋更小尺度的光學(xué)成像過程提供更多支持; 另一方面,也將對(duì)納米尺度光學(xué)成像過程中,樣品的光電物性對(duì)于形貌表征的影響機(jī)制進(jìn)行深入研究.

感謝中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李俊韜教授與周麗丹工程師在樣品制備過程中提供的思路與幫助.