Освоение тонких параллельных оптик: преодоление подводных камней измерения с точностью

Спрос на всё более компактные потребительские продукты и полупроводниковые устройства заставляет производителей требовать тонкие планарные оптики для множества приложений. Это возлагает на производителей материалов и оптики ответственность за обеспечение плоскости стекла и отсутствия материальных деформаций, вызывающих искажения и влияющих на функциональность конечного продукта. Это создает огромную нагрузку на метрологические инструменты, которые должны измерять и подтверждать однородность тонких планарных оптик, тем самым доказывая их пригодность к назначению.

В силу своей природы измерение тонких параллельных оптических поверхностей может быть крайне затруднительным. Такие оптики характеризуются тем, что их толщина составляет менее нескольких миллиметров, что означает очень близкое расположение передней и задней поверхностей. Из-за этого стандартная механическая фазовая интерферометрия (PSI) с трудом различает эти поверхности.

Более передовое решение — интерферометрия с фазовой модуляцией по Фурье (FTPSI), которая позволяет легко характеризовать переднюю и заднюю поверхности, вариацию оптической толщины и материаловую однородность тонкого параллельного стекла. FTPSI позволяет отличить переднюю и заднюю поверхности и охарактеризовать качество обеих в одном измерении, даже если они разделены менее чем на миллиметр.

Почему FTPSI?

Чтобы понять, почему FTPSI — предпочтительная техника для измерения тонких параллельных оптик, нужно подробнее рассмотреть альтернативные традиционные методы измерения и увидеть, где они не справляются.

Если рассмотреть PSI, который работает путем пропускания светового луча через идеальный эталонный оптический элемент (так называемую передаточную плоскость [TF]) к исследуемой детали, мы увидим, что этот метод не может различить переднюю и заднюю поверхности тонкой параллельной оптики. При правильной настройке TF и исследуемой детали создается интерференционная картина, записываемая как интерферограмма. Метрологическое ПО анализирует вариации высоты, вызванные фазовыми сдвигами, и реконструирует волновой фронт поверхности, представляющий разницу высот между TF и исследуемой деталью.

Когда передняя поверхность тонкой параллельной детали выровнена, в интерферометр обычно возвращается второе отражение от задней поверхности. Это приводит к сложной полосковой картине, создаваемой множественными накладывающимися интерферограммами, которые нельзя точно проанализировать с помощью PSI. (Рисунок 1)

Существуют действия, улучшающие ситуацию, но они трудоемки и добавляют в процесс лишние и потенциально вредные этапы. К ним относятся нанесение черной краски на заднюю поверхность для гашения ее отражения, окрашивание темным маркером или нанесение технического вазелина на поверхность.

Метод FTPSI устраняет необходимость ручного воздействия на заднюю поверхность тонкой оптики для проведения значимых и точных измерений. Вместо этого FTPSI использует отражение от задней поверхности для получения большего количества информации о тонком оптическом компоненте в одном измерении. Это возможно, потому что FTPSI не требует механического движения внутри измерительной полости для создания интерферограмм. Вместо этого FTPSI опирается на модуляцию длины волны лазерного источника для проведения измерения. Каждая полость в оптическом пути при измерении FTPSI производит уникальную интерференционную частоту, определяющую длину этой полости, что позволяет четко разделить и точно охарактеризовать поверхность. Алгоритмы могут затем анализировать обе поверхности и охарактеризовать их форму независимо. (Рисунок 2)

Многоповерхностная FTPSI

Начнем с основ. TF — как упоминалось выше — используется с интерферометром для установления планарного эталона для измерения поверхности или пропущенного волнового фронта. Эталонная плоскость (RF) — это высококачественная оптическая поверхность, используемая для направления измерительного луча с минимальным влиянием на общий волновой фронт.

Самое простое измерение FTPSI — это трехповерхностная конфигурация, состоящая из TF — поверхность 1, и исследуемой детали — поверхности 2 и 3 (см. Рисунок 3). В этой конфигурации предоставляется результат для задней поверхности, но он включает материальную неоднородность из-за прохождения измерительного луча через материал исследуемой детали.

Для более точных измерений задней поверхности можно использовать четырехповерхностную конфигурацию, разместив RF — поверхность 4 — за исследуемой оптикой. В этой конфигурации форма поверхности 3 сравнивается с известной RF. Эта конфигурация создает вторую измерительную полость между задней поверхностью и RF и обеспечивает прямое измерение задней поверхности без неопределенности, вносимой материалом детали.

Одно измерение FTPSI с обеими конфигурациями трех- и четырехповерхностных полостей включает результат отклонения толщины, который представляет собой полную карту толщины материала по всей исследуемой детали.

Материальная однородность

Описанная выше четырехповерхностная конфигурация позволяет охарактеризовать материальную однородность исследуемой детали — уникальную особенность технологии FTPSI. Информация об однородности может быть получена путем измерения полости с деталью внутри, затем удаления детали из полости и проведения измерения «пустой полости», позволяя сравнение между TF и RF.

В отличие от других методов измерения однородности, предоставляющих только нелинейную составляющую, результат FTPSI сохраняет фиксированную полость и поэтому может предоставить как нелинейную, так и линейную составляющие материальной однородности. Линейная часть критична для приложений, чувствительных к указанию луча, так как результат можно использовать для предсказания того, как луч отклоняется при прохождении через исследуемую деталь.

Точность

Как и со всеми интерферометрическими методами испытаний, неопределенность измерения основана на ряде факторов, включая качество эталонных оптик, стабильность измерительной среды и методы монтажа.

Для деталей диаметром менее 6 дюймов (150 мм) пик-пик форма эталонной оптики может составлять порядка 2,5% длины волны используемого света — λ/40. Если система, например, имеет лазер, излучающий красный свет с длиной волны 633 нм, это соответствует примерно 16 нм. В большинстве случаев это позволяет полученному измерению быть значительно внутри полосы допуска для применений с тонким стеклом.

То, как деталь удерживается в измерительной полости, вероятно, является наиболее критическим фактором при измерении тонких оптик, а именно техника монтажа и ориентация монтажа. Простое зажимание тонкой оптики может вызвать нежелательное напряжение и заставить оптику изогнуться. Различия в ориентации могут давать совсем другие результаты измерений, особенно для тонких деталей, из-за эффектов гравитации. Идеально, деталь должна монтироваться в той же конфигурации, в которой она будет использоваться в конечном применении, чтобы избежать неожиданных различий между проектным замыслом и реальной производительностью. (Рисунок 4.)

Резюме

FTPSI — убедительный выбор для производителей оптики, которым нужно обеспечить качество тонких параллельных оптик. В отличие от традиционной механической PSI, FTPSI может различать переднюю и заднюю поверхности и охарактеризовать соответствующую информацию о поверхностях в одном повторяемом измерении. Благодаря прогрессу в оборудовании и алгоритмах, FTPSI может охарактеризовать форму поверхности, отклонение толщины и материальную однородность оптик толщиной менее 1 мм. Перед лицом растущего спроса на тонкие параллельные оптики и сложностей в их точном измерении, FTPSI преодолевает ограничения предыдущих методов. Его сила в охарактеризации вместе с легкостью использования делает его хорошим выбором для оптической метрологии.

Эту статью написал Дэн Музински, вице-президент по стратегическому развитию бизнеса, Zygo Corporation (Middlefield, CT). Для получения дополнительной информации посетите сайт .