现代光学导论第二次2014.ppt

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1、现代光学导论第二次2014 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望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、望远镜光的控制：透镜、放大镜、显微镜、望远镜 1 1 放大镜放大镜视放大率：视放大率：用仪器观察时在视网膜上所成的像高与直接人眼观察时所成的像高之比。2.1 视放大率 增大视角，产生放大作用；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。应使无限远目标

2、成像，即平行光入射。放大镜视放大率：放大镜视放大率：l：物距。明视距离物距。明视距离 l=250mm物体应置于放大镜前焦点附近；物体应置于放大镜前焦点附近；f =250mm，无放大作用；无放大作用；f 光学显微镜的分辨率。光学显微镜的分辨率。如如直径直径30m 的射电望远镜的射电望远镜。电电子子 ：0.1 1,电电子子显显微微镜镜分辨本领很高分辨本领很高,可观察物质结构。可观察物质结构。R等于最小分辨角的倒数等于最小分辨角的倒数,即即:射电望远镜射电望远镜波多黎各射电望远镜波多黎各射电望远镜普通光学显微镜普普通通生生物物显显微微镜镜由由3部部分分构构成成，即：即：照照明明系系统统，包包括括光光

3、源源和和聚聚光光器；器；光光学学放放大大系系统统，由由物物镜镜和和目目镜组成，是显微镜的主体；镜组成，是显微镜的主体；机机械械装装置置，用用于于固固定定材材料料和和观察方便。观察方便。电子枪电子枪电子光学镜筒电子光学镜筒样品台样品台成像和计算成像和计算机控制部分机控制部分电源和真电源和真空系统空系统当速度u与光速c可比时为:不同加速电压下电子波的波长不同加速电压下电子波的波长加速电压（加速电压（kV）电子波长电子波长(nm)2030501002000.008590.006980.005360.003700.00251观察到观察到的各种的各种细胞细胞雨水中的微生物雨水中的微生物光学光学显微微镜列

4、文列文虎克虎克2.3 认识世界的显微镜不断突破认识极限的过程R.虎克在虎克在17世纪中期世纪中期制做的复式显微镜制做的复式显微镜19世纪中期世纪中期的显微镜的显微镜20世纪初期世纪初期的显微镜的显微镜带自动照相机带自动照相机的光学显微镜的光学显微镜荷兰范荷兰范-艾格蒙特摄影工作室的维姆艾格蒙特摄影工作室的维姆范范艾格蒙特用相差艾格蒙特用相差技术拍摄的放大技术拍摄的放大160倍的海洋硅藻倍的海洋硅藻Licmophora flabellata荷兰范荷兰范-艾格蒙特摄影工作室的维姆艾格蒙特摄影工作室的维姆范范艾格蒙特用微分干艾格蒙特用微分干涉相差技术拍摄的放大涉相差技术拍摄的放大100倍后的受精卵内

5、的鱼类胚胎倍后的受精卵内的鱼类胚胎荧光显微镜照片（微管呈绿荧光显微镜照片（微管呈绿色、微丝红色、核蓝色），色、微丝红色、核蓝色），图片来自图片来自http:/www.itg.uiuc.edu 美国俄勒冈州分子探测公司美国俄勒冈州分子探测公司的杰罗德的杰罗德萨利斯布里使用荧萨利斯布里使用荧光技术拍摄的放大光技术拍摄的放大600倍的印倍的印度黄麂的皮肤纤维原细胞度黄麂的皮肤纤维原细胞美国维吉尼亚公司的阿隆美国维吉尼亚公司的阿隆迈辛用偏振光技术拍摄的迈辛用偏振光技术拍摄的放大放大25倍后的荠菜种子倍后的荠菜种子电子显微镜电子显微镜电子显微镜下的蚊子电子显微镜下的蚊子最最早早的的巨巨型型电电子子显显微

6、微镜镜高电压下高电压下 电子流电子流 波长很短波长很短（10 0000 10 0000）卢斯卡卢斯卡（Ernst RuskaErnst Ruska）20C30s20C30s第一台透射电子显微镜光路图及第一台透射电子显微镜光路图及其与光学显微镜的类比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 700SEMmicrographofamicromachine树枝石树枝石-一种矿物一种矿物High-resolutionSEI.Specimen:Evaporatedgoldpa

7、rticlesoncarbonfilm.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 KilbyBardeen and Walter Brattain;Bell Labs 1947第一个平面集成电路1961 atFairchild 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

8、.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，就过去的几

9、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，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，不断地编写着不断地编写着新的神话新的神话。第一代第二代第三代第四代第五代十年一代1975-19851985-19951995-20052005-20152015-2025光刻光源G线I线准分子激光浸没/二次EUV/EBL曝光波长436nm365nm248nm193nm13.4/10-6特征尺寸1um1-0.35um0.35u-65nm65-22nm22-7nm存储器bit4M4M-64M64M-1G1G-16G16G主流CPU 808

10、6-386Pentiun proP4多核CPU晶体管104-105106-107108-1091010-10XCPU主频2-33MHz33-200MHz200-3800非主频标准硅片尺寸4-66-88-1212-18主流设计工具LE-P&RP&R-SynthesisSynthesis-DFMSoC系统设计主要封装形式DIP双列直插QFP平面安装BGA球栅封装SiP系统封装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IvyBridge的第三代酷睿处理器。IvyBridge是英特尔首款22纳米工艺处理器，而当前的SandyBridg

11、e处理器采用32纳米工艺制造。IvyBridge核芯显卡升级为HDGraphics4000，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USB3.0功能英特尔称首批IvyBridge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：VLSICMOS90年代：ULSICMOS20世纪末：SOICMOSIC到如今越来越复杂的CMOS集成电路scanwidthAODU deflectionanglesubstratemotionAOMU profilemirrorfocusinglens

12、FHeCd442nmLaserDiode405nmArgon-lon363nm海德堡200/2000/8000激光光刻系统HAIDELBERGLaser-LithographySystem电子束光刻技术 E-BeamLithographyJEOLJBX6300FS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12-50MHzHSQFox16胶厚400nm线宽30nm5nm宽格栅JEOLJBX6300FS30nm器件20nm点阵10nm线条最大直写片子尺寸Max.wafersize:12inch(300mm)最小电子束斑Min.Beam

13、spotdiameter:4nm位置及套刻精度Position,overlayeraccuracy:20nmJBX9300电子束直写系统Electronbeamlithograph:JBX-9300Ebeamwriter主机台面片夹SiSiZEP520 1mZEP520 1mBeam Current:15nASensitivity:3210C/cm2Designed pattern width:48nmScanning Step:16nmWriting result:100nmBeam Current:100nASensitivity:1792C/cm2Designed pattern wid

14、th:1nmScanning Step:42nmWriting result:250nm10nm CD Uniformity within 500m field(40nm pitch L&S)400nm10nm100kV 600pAHSQ(30 nm)6400 C/cm2Writing Mode:100 kV Current:6 nA Resist:HSQ 130 nm Sensitivity:5500 C/cm215 nmHighbeamcurrentexposure(100kV)(500nmpitchL/Spatternwritingwith1mthickresist)100kV；100n

15、m ZEP520；50nm pitch 32295C/cm2 100pA Nickel-chromiumlift-offJBX9300电子束光刻系统ZEP520100nm密集线ZEP52070nm点阵清华大学纳米中心JBX6300FS电子束曝光实验结果PMMA50nm密集线PMMA60nm密集线PMMA30nm孤立线ZEP520刻蚀Si100nm宽900nm深双层胶PMMA-MMAPMMA180nm厚MMA320nm厚结构120nm-370nm双层胶ZEP-MMA结构95nm-170nmZEP300nm厚MMA320nm厚AuAg剥离100nmHSQ 网格结构 22nmHSQ胶厚180nm 清

16、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 17nmHSQ 网格结构 17nmSU-8胶厚1200nmHSQ 网格结构 100nmSU-8 网格结构 100nmSU-8 线条 300nm纳米棒阵列的可控“自组装”46降低曝光剂量从而增加深宽比减少纳米棒的数目500 nm段辉高博士定向倒覆制造纳米结构的研究3电子光学电子光学-几何光学的拓展几何光学的拓展电子光学电子光学电子电子 在电磁场中运动和电在电磁场中运动和电子子 在电磁场中聚焦在电磁场中聚焦、成像、偏转等、成像、偏转等 规规律的学科。律的学科。参考文献1K.Tsuno,E.MunroandJ.Orloff(E

17、d.).HandbookofChargedParticleOptics,CRCPress,1997,BocaRaton.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，1994.3黄兰友,刘绪平.电子显微镜与电子光学，北京：科学出版社，1991.4陈文雄，西门纪业，电子光学基础，北京：北京大学出版社,1986.5童林夙等，电子光学计算机辅助设计，北京：国防工业出版社，1990.一、理想光学系统成像理论一、理想光学系统成像理论主平面：横向放大率=1的一对共轭面 主点：主平面与光轴的交点（1）主平面和主点（2 2）焦点和焦平面）焦点和焦平面 像方焦点：无限远轴上物点所对应的像点像方焦

18、点：无限远轴上物点所对应的像点像方焦平面：通过像方焦点垂直于光轴的平面。像方焦平面：通过像方焦点垂直于光轴的平面。物方焦平面：通过物方焦点垂直于光轴的平面。物方焦平面：通过物方焦点垂直于光轴的平面。物方焦点：无限远轴上像点所对应的物点物方焦点：无限远轴上像点所对应的物点（3 3）焦距）焦距焦距主平面与焦点之间的距离。焦距主平面与焦点之间的距离。f :从像方主平面从像方主平面H 到像方到像方焦点焦点F ，由左，由左右为正；右为正；f:从物方主平面从物方主平面H到物方焦点到物方焦点F，由左，由左右为正。右为正。符号规则：符号规则：（4 4）牛顿公式）牛顿公式以焦点为坐标原点计算物像关系。以焦点为坐标原点计算物像关系。物像位置关系：物像位置关系：符号规则：物距x：物方焦点F到物点A，由左到右为正；像距x：像方焦点F 到像点A，由左到右为正。横向缩放关系横向缩放关系：正号正像，负号倒像正号正像，负号倒像（5 5）高斯公式）高斯公式以主点为坐标原点计算物像关系以主点为坐标原点计算物像关系物像位置关系：物像位置关系：符号规则：符号规则：物距物距l：物方主点物方主点H 到物点到物点A，由左到右为正；，由左到右为正；像距像距l：像方主点像方主点H 到像点到像点A，由左到右，由左到右为正。为正。横向缩放关系：横向缩放关系：