CC BY
25
УДК 535.44
ИЗМЕРЕНИЕ ПРОФИЛЯ ГЛУБОКОГО ШЕРОХОВАТОГО РЕЛЬЕФА НА МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТРЕ ЛИННИКА
Виктор Павлович Корольков
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)3333-091, e-mail: victork@iae.nsk.su
Руслан Камильевич Насыров
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, старший научный сотрудник, тел. (383)330-7931, e-mail: nasyrov.ruslan@gmail.com
Руслан Владимирович Шиманский
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел. (383)3333-091, e-mail: shimansky@iae.nsk.su
Антон Евгеньевич Качкин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер, тел. (383)330-7931, e-mail: anton.kachkin@yandex.ru
Анатолий Иванович Малышев
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, ведущий инженер, тел. (383)330-7931, e-mail: malyshev60@yandex.ru
В статье обсуждается возможность применения интерферометра Линника для измерения профиля шероховатого рельефа глубиной до десятков микрометров, обычно формируемого при гальваническом выращивании рисунка печатных плат и рентгеношаблонов для LIGA-технологии. В работе рассмотрены несколько различных методов измерения: интерферометрии с синтетической длиной волны и сглаживания неровностей рельефа покровной пленкой.
Ключевые слова: глубина рельефа, шероховатая поверхность, профилометрия, интерферометр Линника, синтетическая длина волны.
MEASURMENT OF DEEP ROUGH PROFILE BY LINNIK MICROINTERFEROMETER
Victor P. Korolkov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, Ph. D., leading researcher, tel. (383)3333-091, e-mail: victork@iae.nsk.su
Ruslan K. Nasyrov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, senior scientist, tel. (383)330-7931, e-mail: nasyrov.ruslan@gmail.com
Ruslan V. Shimansky
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, junior researcher, tel. (383)3333-091, e-mail: shimansky@iae.nsk.su
Anton E. Kachkin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, engineer, tel. (383)3333-091, e-mail: anton.kachkin@yandex.ru
Anatoly I. Malyshev
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademik Kop-tyug Prospect, leading engineer, tel. (383)330-7931, e-mail: malyshev60@yandex.ru
The article discusses the possibility of using the Linnik interferometer to measure a rough terrain profile up to a depth of tens of micrometers, usually formed by electroplating the drawing of printed circuit boards and X-ray patterns for LIGA technology. Two measurement methods are considered in this paper: interferometry with a synthetic wavelength and smoothing of relief irregularities by a cover film.
Key words: profile depth, rough surface, profilometry, Linnik interferometer, synthetic wavelength.
Для измерения формы глубокого микрорельефа совместными усилиями ИАиЭ СО РАН и ЗАО «Дифракция» разработан профилометр на базе микроинтерферометра Линника МИИ-4М [1]. Базовым алгоритмом обработки интерференционной картины в его программном обеспечении является трекинг полос. Для рельефа глубиной более нескольких микрометров используется датчик, измеряющий положение микрообъектива измерительного канала с разрешением до 1 нм. При эксплуатации прибора заказчиками выяснилось, что измерение формы рельефа с высокой шероховатостью (до Ra ~ 1 мкм при среднем шаге местных выступов профиля Si ~ 5 мкм), совершенно разрушающих полосы интерференционной картины, является весьма востребованной задачей в многих отраслях промышленности. В машиностроении задача измерения такого рельефа решается относительно просто и недорого с использованием контактных профилометров [2]. Но эти приборы не подходят для измерения достаточно мягких материалов, например полимеров. Зарубежные компании выпускают целый ряд бесконтактных оптических профилометров различных принципов действия. Но стоимость этих приборов весьма высока, а кроме того они, как правило, работают в автоматическом режиме, который не позволяет корректно измерять рельеф в присутствии прозрачных пленок (например фоторезиста), дающих сложную картину интерференции света. В настоящей работе обсуждаются результаты исследования различных методов измерения рельефа с высокой шероховатостью с помощью выпускаемого ОАО «ЛОМО» [3] микроинтерферометра Линника - МИИ-4М.
Интерферометрия с синтетической длиной волны
Метод интерферометрических измерений с синтетической (или эквивалентной) длиной волны достаточно давно известен [4]. Он позволяет резко расширить область применения интерферометрии на оптически шероховатые поверхности. Ее применение позволяет также получить более высокое пространственное разрешение, чем в случае использования излучения в реальном ИК диапазон. Обычно в интерферометрии с синтетической длиной волны (или дву-хволновой интерферометрии) используются два лазерных источника со слегка разными длинами волн и Х2. Интерферометр фиксирует две отдельные интерференционные картины. Их совместная обработка позволяет выделить новый
интерференционный член вида cos(4ж•z/Л), где Л — синтетическая длина волны (СДЛ) или длина волны биений, определяемая формулой:
Л = • —
Поскольку разность длин волн обычно небольшая, то синтетическая длина волны намного больше используемой исходной длины волны. Используемые две длины волны могут быть либо мультиплексированы по времени, либо могут присутствовать непрерывно. В наших экспериментах мы использовали штатный осветитель МИИ-4 с двумя фильтрами на длинах волн 535 и 596 нм. Интерфе-рограммы были сняты отдельно на одной и той же линейной решетке для каждой длины волны. Первое измерение было сделано с зеленым светофильтром, второе измерение было сделано с желтым светофильтром. Полученные интер-ферограммы были нормированы для выравнивания интенсивностей, после этого было проведено их сложение (рис. 1).
Рис. 1. Нормированные интерферограммы:
а) с зеленым светофильтром; б) с желтым светофильтром; в) сумма интерферограмм; г) сечения суммы интерферограм
Из результатов видно, что на суммарной интерферограмме возникла интерференционная картина соответствующая СДЛ, равной 5,227 мкм. Эффект расплывания суммарного изображения связан с небольшим смещением изображения при измерении при механической смене светофильтра. На рис. 1, в видно, что контраст интерференционных полос на шероховатых участках решетки стал лучше, чем для исходной картины отдельно на каждой длине волны. В периоде интерференционной картины для этой длины волны укладывается 9,2 полосы на усредненной длине волны от исходных и Х2. Глубина рельефа, определенная корреляционным методом по сдвигу полос на СДЛ в сечениях интер-ферограммы (рис. 2г), составила 2,65 мкм. Измерения того же рельефа с помощью оптического профилометра WLI (ВМТ, Германия) дали глубину 2,53 мкм. Ошибка 0,023 от СДЛ вполне приемлема с учетом того, что Ra наиболее неровной части решетки составляла 0,1 мкм.
Сглаживание неровностей рельефа покровной пленкой
1 2
Покровная пленка
3
Медь 1 1 |\
4 \Гч7
Подложка
Рис. 2а. Схема измерения со сглаживающей пленкой
I
Рис. 2б. Интерферограмма медного проводника без пленки
Рис. 2в. Интерферограмма медного Рис. 2г. Интерферограмма подложки проводника с пленкой печатной платы
Вкладка - профилограмма
Применение данного метода при Ra =1 мкм не позволила выделить полосы интерференционной картины при СДЛ порядка 5 мкм. Необходимо уменьшать разницу Xi и X2. Это предполагается сделать в дальнейшем за счет перехода на осветитель с желтым и красным светодиодами с разницей длин волн 30-40 нм.
Влияние рассеяния света шероховатой поверхностью может быть устранено с помощью прозрачной полимерной пленки, покрывающей измеряемый рельеф. Прижим пленки к рельефу осуществлялся откачкой воздушной прослойки между пленкой и рельефом (рис. 2а). Без пленки интерференционная картина от шероховатой поверхности металла не может быть использована для трекинга полос. При покрытии рельефа пленкой при перефокусировке микрообъектива можно увидеть полосы от четырех поверхностей (1-4 на рис. 2а). Поверхности 2 и 3 практически совпадают и поэтому интерференционные картины от них трудно разделить, особенно с учетом высоко коэффициента отражения меди. Для обработки наиболее подходят интерференционные картины от поверхности 1 на шероховатой поверхностью металла и от поверхности 4 подложки или поверхности 1 пленки над подложкой. В последнем случае высота рельефа считы-вается в чистом виде. Но при известной толщине пленки удобно использовать интерференционную картину от подложки (если она качественно отполирована) как опорную. На рис. 2б показана сглаженная пленкой интерферограмма поверхности медного проводника печатной платы на подложке из поликора, полученная от поверхности 1 покровной пленки толщиной 5 мкм. На рис. 2г показана интерферограмма поверхности подложки. На основе трекинга ахроматической полосы с учетом сдвига микрообъектива между интерферограммами и толщины покровной пленки получен профиль поверхности, показанный на вкладке на рис. 2. Глубина рельефа медного проводника изменяется в пределах 12-16 мкм. При этом параметр шероховатости его поверхности Ra составлял 1 мкм по результатам измерений на профилометре WLI.
Предложены и исследованы два варианта измерения профиля глубокого шероховатого рельефа на микроинтерферометрах типа МИИ-4М, снабженных датчиком перемещения микрообъектива: интерферометрии с синтетической длиной волны и сглаживания неровностей рельефа покровной пленкой. Последний метод более универсален, но требует специального вакуумного прижима.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Корольков В. П., Качкин А. Е., Шиманский Р. В. Модернизация микроинтерферометров МИИ-4 и МИИ-4М // Мир измерений. - 2012. - № 10. - С. 37-41.
2. http://tehnokom.opt.ru/page_katalog_6333.html.
3. http://www.lomo.ru/site/catalog/view_main.cgi?l0=1&l1=25&cid=25.
4. Tiziani Н. Optical techniques for shape measurements, in Fringe '93: proceedings of the 2nd International Workshop on Automatic Processing of Fringe Patterns held in Bremen, Berlin : Akad.-Verl., 1993. - S. 165-174.
© В. П. Корольков, Р. К. Насыров, Р. В. Шиманский, А. Е. Качкин, А. И. Малышев, 2017
