Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Tecniche diagnostiche/Microscopia Ottica

Microscopia ottica

La microscopia ottica è una tecnica diagnostica fondamentale che consente di visualizzare e analizzare materiali, componenti e dispositivi con scala microscopica utilizzando la luce visibile. Nel contesto della micro- e nanotecnologia, lo scopo principale della microscopia ottica è quello di: osservare la topografia superficiale e la morfologia dei materiali (ad esempio film sottili, wafer semiconduttori, superfici metalliche) e individuare la distribuzione dei difetti, delle imperfezioni di processo, delle giunzioni e delle interfacce all’interno dei componenti micro-tecnologici. Inoltre fornisce un supporto visivo rapido ed efficace per la ricerca e lo sviluppo, l’ispezione di processo e il controllo di qualità nella microelettronica e nei dispositivi MEMS. In sintesi, la microscopia ottica si pone come uno strumento di primo livello per la caratterizzazione macroscopico-microscopica: prima ancora di passare a tecniche più complesse (SEM, AFM, STM), permette di verificare in modo relativamente semplice lo stato della superficie, la presenza di contaminazioni o difetti visibili e la conformità geometrica di strutture a scala micrometrica. Nel contesto della micro- e nanotecnologia, la microscopia ottica trova applicazione in diversi ambiti:

• Nella microelettronica, per osservare componenti e dispositivi a scala microscopica: ad esempio wafer di silicio dopo processo di fabbricazione, giunzioni, interconnessioni, film sottili su dispositivi integrati.
• Nella caratterizzazione di film sottili e rivestimenti: la microscopia ottica consente di valutare la uniformità, la continuità, la presenza di difetti superficiali o striature nei rivestimenti utilizzati in micro‐o nanofabbricazione.
• Nell’ispezione di superfici micro-meccaniche e microsistemi (MEMS): ad esempio l’analisi di strutture meccaniche miniaturizzate, cantilever, micro‐ingranaggi, sensori, in cui la microscopia ottica può essere utilizzata per controlli visivi, rilevando micro‐crack, deformazioni, contaminazioni.
• Come tecnica di primo livello nella catena diagnostica della produzione micro/nanotecnologica: grazie alla sua rapidità e semplicità, viene usata per screening iniziali prima di ricorrere a tecniche con risoluzione più elevata, ma con tempi e costi maggiori.
• Pur non essendo adatta a strutture con dimensioni ben al di sotto della lunghezza d’onda della luce visibile (tipicamente < 200-500 nm) — per le quali sono richieste tecniche ad alta risoluzione — la microscopia ottica rimane una parte integrante del workflow micro-/nanotecnologico, in quanto collega la scala micrometrica della tecnologia con le scale più fini.

Principi fisici della microscopia ottica

La microscopia ottica è una tecnica che sfrutta la radiazione elettromagnetica nella regione del visibile (lunghezze d'onda comprese tra circa 400 nm e 700 nm) per ottenere immagini ingrandite di oggetti di dimensioni micrometriche o inferiori. Il principio di funzionamento si basa sulla rifrazione e sulla diffrazione della luce attraverso un sistema di lenti che formano un'immagine reale o virtuale dell'oggetto osservato. Un microscopio ottico è composto essenzialmente da due sistemi di lenti:

• L'obiettivo, che forma un'immagine reale, ingrandita e rovesciata dell'oggetto;
• L'oculare, che agisce come una lente d'ingrandimento, producendo un'ulteriore immagine virtuale osservabile dall'occhio umano.

L'ingrandimento totale $M_{T}$ del microscopio è dato dal prodotto dell'ingrandimento dell'obiettivo $M_{\text{ob}}$ e dell'oculare $M_{\text{ocu}}$:

$M_{T}=M_{\text{ob}}\cdot M_{\text{ocu}}$

Tuttavia, un elevato ingrandimento non garantisce automaticamente una maggiore quantità di dettagli visibili: la quantità d'informazione che si può distinguere è limitata dal potere risolutivo del sistema ottico.

Risoluzione e limite di diffrazione

La risoluzione di un microscopio è la minima distanza $\mathrm {d}$ tra due punti dell’oggetto che possono essere ancora distinti come separati nell’immagine. Quando la luce attraversa un'apertura circolare (come la lente dell'obiettivo), essa subisce diffrazione, producendo un pattern di intensità noto come disco di Airy. Due punti distinti dell'oggetto producono due dischi di Airy che possono sovrapporsi.

Il criterio di Rayleigh stabilisce che due punti sono appena risolti quando il massimo del primo coincide con il minimo del secondo. In tale condizione, la distanza minima risolvibile è:

$\mathrm {d} =0.61{\frac {\mathrm {\lambda } }{\mathrm {n} \sin \theta }}$

dove:

• $\mathrm {\lambda }$ è la lunghezza d’onda della luce utilizzata;
• $\mathrm {n}$ è l’indice di rifrazione del mezzo tra l’obiettivo e il campione;
• $\mathrm {\theta }$ è il semiangolo del cono di luce raccolto dall’obiettivo.

Il termine $\mathrm {n} \sin \theta$ è definito come apertura numerica (NA) dell’obiettivo. Pertanto, la risoluzione può essere espressa come:

$\mathrm {d} ={\frac {0.61\lambda }{\text{NA}}}$

Da questa relazione si deduce che la risoluzione migliora (cioè $\mathrm {d}$ diminuisce) se:

• si utilizza luce di lunghezza d’onda più corta;
• si aumenta l’apertura numerica dell’obiettivo;
• si impiega un mezzo con indice di rifrazione elevato (ad esempio l’olio d’immersione).

Per la luce visibile, con $\mathrm {\lambda } \approx 500\ nm$ e un obiettivo ad immersione con $\mathrm {NA} \approx 1.4$, la risoluzione teorica minima risulta:

$\mathrm {d_{\text{min}}} \approx 0.61{\frac {500}{1.4}}\approx 200\ nm$

Ciò implica che dettagli inferiori a circa 200 nn non possono essere distinti con un microscopio ottico convenzionale. Per superare questo limite sono stati sviluppati metodi di microscopia avanzata, come la microscopia a fluorescenza a super-risoluzione (STED), la microscopia di localizzazione fotoattivata (PALM) o la microscopia a ricostruzione ottica stocastica (STORM), che sfruttano principi ottici e quantistici per ottenere risoluzioni ben al di sotto del limite di diffrazione. Lo sviluppo di queste nuove tecniche hanno permesso di estendere notevolmente le capacità di osservazione nel campo della microscopia moderna.

Componenti e configurazione del microscopio ottico

Alcune componenti del microscopio ottico

Un microscopio ottico composto è costituito da un insieme di elementi ottici e meccanici progettati per ottenere un’immagine ingrandita e nitida dell’oggetto osservato.

Le sue componenti principali possono essere suddivise in tre gruppi: sistema di illuminazione, sistema ottico e sistema meccanico.

Sistema di illuminazione

Il sistema di illuminazione fornisce la luce necessaria per osservare il campione in modo uniforme e controllato. È generalmente composto da:

• Sorgente luminosa: può essere una lampada alogena, LED o, nei modelli più avanzati, una sorgente laser. La scelta dipende dal tipo di osservazione (luce trasmessa, riflessa o fluorescenza).
• Condensatore: un gruppo di lenti posto sotto il campione che concentra la luce sulla zona d’interesse, migliorando contrasto e risoluzione.
• Diaframma d’apertura (o di campo): regola la quantità di luce che raggiunge il campione e controlla l’apertura numerica del sistema di illuminazione.

Sistema ottico

Il sistema ottico è responsabile della formazione e dell’ingrandimento dell’immagine. Comprende:

• Obiettivo: è la lente (o gruppo di lenti) più vicina al campione. Produce un’immagine reale, rovesciata e ingrandita dell’oggetto. Gli obiettivi sono classificati in base al loro ingrandimento nominale (ad esempio 4x, 10x, 40x, 100x) e alla loro apertura numerica.
• Oculare: è la lente attraverso cui l’osservatore guarda. Agisce come una lente d’ingrandimento che amplia ulteriormente l’immagine prodotta dall’obiettivo, rendendola visibile all’occhio.
• Tubo ottico: mantiene l’allineamento tra obiettivo e oculare e determina la distanza meccanica standard tra le due lenti (tipicamente 160 mm nei microscopi classici, oppure infinito nei sistemi moderni).

Sistema meccanico

Il sistema meccanico ha la funzione di sostenere e regolare la posizione del campione e dei componenti ottici. Comprende:

• Base e stativo: forniscono stabilità all’intero microscopio.
• Tavolino portaoggetti: sostiene il vetrino con il campione; può essere regolato con precisione in direzione orizzontale e verticale.
• Viti macrometriche e micrometriche: permettono la messa a fuoco grossolana e fine dell’immagine, spostando verticalmente l’obiettivo o il tavolino.

Configurazione ottica del microscopio composto

Nel microscopio ottico composto, l’immagine dell’oggetto si forma in due passaggi successivi:

• L’obiettivo forma un’immagine reale, rovesciata e ingrandita dell’oggetto, posta al di fuori del fuoco dell’oculare.
• L’oculare agisce come una lente d’ingrandimento, producendo un’immagine virtuale ulteriormente ingrandita, osservabile dall’occhio umano.

Il percorso ottico può essere schematicamente rappresentato come segue:

${\text{Oggetto}}\xrightarrow {\text{obiettivo}} {\text{immagine reale}}\xrightarrow {\text{oculare}} {\text{immagine virtuale osservata.}}$

Per ottenere immagini di alta qualità, il microscopio deve essere correttamente allineato. L’asse ottico del condensatore, dell’obiettivo e dell’oculare devono coincidere, e il diaframma deve essere regolato in modo da equilibrare contrasto, luminosità e risoluzione. L’ottimizzazione di questi parametri è essenziale per sfruttare pienamente il potere risolutivo determinato dal limite di diffrazione.

In microtecnologia si usano soprattutto microscopi ottici composti con varianti specializzate, a seconda del tipo di osservazione, si distinguono diverse configurazioni:

• Microscopio a luce riflessa, in cui la luce viene riflessa dalla superficie del campione;
• Microscopi confocali per imaging 3D ad alta risoluzione;
• Microscopi a contrasto di fase: utile solo se ci sono strati sottili trasparenti (ossidi, polimeri).
• Microscopi a interferenza: fondamentale per misure di precisione su superfici e film sottili, anche opachi.
• Microscopio a luce trasmessa, in cui la luce attraversa il campione (adatto per campioni trasparenti o sottili) hanno applicazioni più di nicchia perché i materiali delle microtecnologie non sono trasparenti.

Tipo di microscopio	Uso in microtecnologia
Composto	Base, osservazioni generali
Luce riflessa	Analisi superfici, wafer, chip (molto usato)
Confocale	Imaging 3D, metrologia avanzata
Interferenza	Misure di spessore e planarità
Contrasto di fase	Campioni trasparenti (uso limitato)
Luce trasmessa	Raro, solo materiali trasparenti

La profondità di campo

La profondità di campo è la zona lungo l’asse ottico (cioè in profondità) che appare nitida e a fuoco nell’immagine. In microscopia ottica, la profondità di campo è molto ridotta: solo uno strato sottile del campione risulta nitido, mentre le parti sopra o sotto appaiono sfocate, soprattutto quando si osservano campioni tridimensionali o con superfici irregolari. Se il campione ha rilievi, strati multipli o strutture complesse, non si riesce a vedere tutto a fuoco contemporaneamente. In microtecnologia, wafer o microstrutture con rugosità o pattern multilivello risultano difficili da osservare in modo completo. L’operatore deve continuamente regolare la messa a fuoco per esplorare diverse profondità, rallentando l’analisi. Maggiore è l’apertura numerica dell’obiettivo (necessaria per alta risoluzione) e più si aumenta l’ingrandimento, minore è la profondità di campo. La microscopia confocale elimina la luce fuori fuoco e ricostruisce immagini 3D con maggiore profondità di campo apparente. Esistono dei microscopi a ricostruzione digitale: acquisizione di più immagini a diverse profondità e fusione software per ottenere un’immagine nitida su tutto il volume.

Vantaggi della microscopia ottica

• Rapidità e semplicità: permette controlli veloci su wafer e microstrutture senza preparazioni complesse.
• Non distruttiva: non danneggia il campione, quindi è ideale per controlli in linea di produzione.
• Analisi di superfici opache: con luce riflessa si possono osservare difetti, rugosità, graffi e pattern litografici.
• Versatilità di tecniche: confocale, interferenza, contrasto di fase (ciascuna adatta a diversi materiali e condizioni).
• Imaging 3D (confocale/interferenza): consente di misurare spessori di film sottili e profili superficiali con precisione micrometrica/nanometrica.
• Costo e accessibilità: molto più economica rispetto a SEM o TEM, quindi diffusa nei laboratori di microfabbricazione.
• Osservazione in tempo reale: utile per monitorare processi come litografia, deposizione o polimerizzazione.

Limiti della microscopia ottica

• Risoluzione limitata: non scende sotto ~200 nm (limite fisico della luce visibile). Non consente di osservare dettagli nanometrici come difetti atomici o strutture sub-nm.
• Ingrandimento massimo utile: oltre 1000–1500× non si ottengono nuovi dettagli.
• Campioni opachi spessi: la luce trasmessa è poco utile; si lavora quasi sempre in riflessione.
• Profondità di campo ridotta: difficile osservare strutture tridimensionali complesse senza tecniche avanzate (confocale).
• Sensibilità ai rivestimenti: film sottili trasparenti possono richiedere tecniche speciali (interferenza, contrasto di fase) per essere visibili.
• Confronto con microscopia elettronica: non raggiunge la risoluzione e la capacità analitica (elementale, chimica) di SEM/TEM.
• Dipendenza dall’illuminazione: qualità dell’immagine fortemente influenzata da condizioni di luce e preparazione del campione.

BIBLIOGRAFIA

• Jerome Mertz; Introduction to optical microscopy; Cambridge University Press; (2019).