CC BY
35
УДК 535.44
ОПТИЧЕСКИЙ ПРОФИЛОМЕТР НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ЛИННИКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНОК, ГЛУБИНЫ И ФОРМЫ РЕЛЬЕФА
Руслан Владимирович Шиманский
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: shimansky@iae.nsk.su
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)333-30-91, e-mail: victork@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
В работе рассматривается оптический профилометр, разработанный на основе интерферометра Линника для задачи контроля толщины пленок и глубины шероховатого и оптически гладкого рельефа в диапазоне до ±50 мкм. Обсуждаются вопросы калибровки прибора и ограничения предложенного метода измерения рельефа на основе серии обработки серии интерферограмм в белом свете, снятой при механическом вертикальном сканировании интерферометра относительно образца.
Ключевые слова: профилометрия, интерферометр Линника, интерферометр белого света, вертикальное сканирование, шероховатый микрорельеф.
OPTICAL PROFILOMETER BASED ON THE LINNIK INTERFEROMETER FOR MEASURING THE FILMS, DEPTHS AND THE FORM OF THE RELIEF
Ruslan V. Shimansky
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, phone: (383)333-30-91, e-mail: shimansky@iae.nsk.su
Victor P. Korolkov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Leading Researcher, phone: (383)333-30-91, e-mail: victork@iae.nsk.su
Anton E. Kachkin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Engineer, phone: (383)333-30-91, e-mail: anton.kachkin@yandex.ru
An optical profilometer developed on the basis of Linnik interferometer is considered for the task of controlling the thickness of films and the depth of rough and optically smooth relief in the range up to ± 50 p,m. The problems of calibration and limitation of the method of measuring the relief based on a white light interferometer with vertical scanning are discussed.
Key words: profilometry, Linnik interferometer, white light interferometer, vertical scanning, rough microrelief.
Введение
Измерение толщины плёнок, глубины и формы рельефа в настоящее время является весьма актуальной и востребованной задачей, как для лабораторий научно-исследовательских институтов и университетов, так и для цехового контроля на промышленных предприятиях. В машиностроении задача измерения формы рельефа решается относительно просто и недорого с использованием контактных профилометров [1]. Но эти приборы не подходят для измерения покрытий из мягких полимерных материалов (например, фоторезистов), оптических поверхностей и рельефа с достаточно глубоким рельефом. Использование разных типов материалов, в том числе с высокой шероховатостью, необходимость измерения в достаточно большом диапазоне глубин от сотни нанометров до десятков микрометров с погрешностью в диапазоне 1-5% (для контактных профилометров типичная погрешность - 10%) ставит задачу разработки бесконтактного оптическогопрофилометра. Схема Линника является достаточно популярной для такого типа профилометров. На её основе разработаны приборы МИА-Д (ВНИИОФИ) [2] и МНП (КТИ НП СО РАН) [3]. Ограничением профилометра МИА-Д является использование в качестве осветителя лазерного источника, что исключает измерение профилей с резким перепадом глубины. Профилометр МНП удовлетворяет всем современным требованиям, но имеет достаточно большую стоимость, что ограничивает круг потребителей в современных экономических условиях.
Разработанный совместными усилиями ИАиЭ СО РАН и ЗАО «Дифракция» профилометр МП-4-ОЮ1-100 на базе микроинтерферометра Линника МИИ-4М [4,5] позволяет решить широкий спектр задач: от измерения толщины тонкопленочных покрытий до глубины рельефа печатных плат. В настоящей работе рассмотрен модернизированный вариант этого прибора, позволяющий измерять глубокий рельеф с высокой шероховатостью.
Конструкция профилометра
Профилометр выполнен на основе стандартного оптического блока микроинтерферометра МИИ-4М (ЛОМО, Санкт-Петербург) [3] с волоконным подводом светового пучка. Световолоконный кабель подключается к светодиодному осветителю с управлением и питанием от контроллера, который в свою очередь управляется через иББ-порт персональным компьютером.
Контроллер обеспечивает переключение между белым и квазимонохроматическим светодиодами осветителя, а также управление яркостью свечения светодиодов. Дополнительно в оптический блок интерферометра интегрирован линейный датчик перемещения интерферометрического блока относительно образца с разрешением 5 нм. Текущее значение датчика считывается управляющим компьютером и используется программным обеспечением профило-метра при расчёте глубины измеряемого профиля. Установленная вместо окуляра микроинтерферометра цифровая камера позволяет производить управ-
ляющему компьютеру захват кадров изображения интерферограмм и производить их последующую обработку. Размер светового контролируемого поля составляет не менее - 200x260 мкм. На рис. 1 приведена фотография разработанного оптического профилометра. Программное обеспечение профилометра предоставляет несколько режимов измерения образца, а также предоставляет возможности выполнения оценки формы рельефа, визуализации и сохранения на носитель информации результатов измерения. На данные момент программное обеспечение предоставляет три основных режима измерения: трекинга с одной интерферо-граммой, трекинга с двумя интерферограм-мами и режим вертикального сканирования. Каждый из режимов используется для измерения определённого типа рельефа.
Режим трекинга с одной интереферограммой
Для измерения формы рельефа с глубиной до нескольких микрон для поверхностей с оптическим качеством используется режим трекинга полосы по одной интерферограмме. Перед измерением осуществляется калибровка периода полос интерферограммы, снятой при квазимонохроматическом освещении. Калибровка производится автоматически с использованием алгоритма определения количества и периода интерференционных полос в срезе интер-ферограммы. Также в интерактивном режиме производится калибровка линейного размера изображения полученного с камеры по тестовой решетке с известным периодом.
Затем производится захват интерферограммы в белом свете по которой производится трекинг ахроматической полосы. Трекинг интерференционной полосы производится алгоритмом последовательного локального вычисления положения средневзвешенного центра максимума или минимума ахроматической полосы с максимальной интенсивностью. На рис. 2 приведена иллюстрация работы данного алгоритма. На рис. 3 приведён пример результата работы алгоритма трекинга. Результаты трекинга используются для расчета данных двухмерной профилограммы используемой для оценки формы профиля и его характеристик. В данном режиме обеспечивается диапазон измерений до ±2 мкм с разрешением 1.. .5 нм в зависимости от количества интерференционных полос в кадре.
Рис. 1. Оптический профилометр на базе микроинтерферометров МИИ-4М
Рис. 2. Схема алгоритма поиска точки «хребта» интерференционной полосы. Пример исходных данных (слева) и обработанных данных (справа). ЛЬ-текущий анализируемый отрезок с длиной Ь, «бегущее» WH окно фильтра, СЛР-средневзвешенный максимум текущего отрезка
Рис. 3. Результат работы алгоритма трекинга интерференционной полосы
Режим трекинга с двумя интерферограммами
Для измерения глубины оптически гладкого рельефа в диапазоне до ±50 мкм используется режим с двумя интерферограммами. Данный режим базируется на алгоритме трекинга, рассмотренном выше. Но для определения положения интер-ферометрического блока относительно образца при снятии каждой интерферо-граммы используется информация с линейного датчика перемещения.
шзшвхзшшпя
File Edit View Works Strips Processing Help
^ISjxj
Ml fij АШ'?. I Ll [Ш .ApijiJ ¿-Мк|а|н| &| oIqIqI??! mj
1 ♦' rm 1
, г >щ . , V .
1.
s(ГтщРШ *
а)
ё|нП4 - Tracked fringes with Z position (in mkm)
:s :io :1S
б)
ЛИ
Л ^ВД £JUU tf|H| SJÜ
UtpthMI.Bie mkm с
-li
1
-3
:2s 30 :3s 40 :4s -SO SS -SO
j
Рис. 4. Измерение в режиме двух интерферограмм:
а) трекинг первой интерферограммы; б) комбинированный профиль первой и второй интреферограммы и рассчитанный результат глубина профиля
Перед началом измерения производится калибровка периода полос идентично трековому режиму. Затем производится фокусировка и захват интерферограммы в белом свете на нижней плоскости измеряемого образца. Далее производится такая же операция для верхней плоскости. Программное обеспечение автоматически сохраняет положение интерферометрического блока для каждой из интерферограмм. В результате получаются две интерферограммы в белом свете соответственно для нижней и верхней поверхности образца, которые могут быть отдельно обработаны методом трекинга с учётом сохранённых значений датчика вертикального положения. На рис. 4 показаны основные этапы измерения в режиме с использованием двух интерферограмм. Результатом трекинга является комбинированный двухмерный профиль рис. 4, б. Для вычисления глубины рельефа производится расчёт линейной регрессии для обеих частей данных трекинга, на основе которой выполняется экстраполяция линейных отрезков до моделируемой границы ступеньки, определяемой как средняя точка на горизонтали между ближайшими точками профиля трекинга интерферограмм. Результат экстраполяции отображается в виде пунктирной линии (рис. 4, б). Глубина рельефа рассчитывается как расстояние между пересечением линий экстраполяции с моделируемой границей ступеньки профиля. В данном режиме диапазон измерений составляет ±50 мкм. Погрешность измерения оценивается по формуле АБ = ±(20 + (Ы// Ыр + dN)•300 + Яа) нм, где Ы/ - количество полос в кадре (не менее 3), Ыр - количество пикселов в кадре по вертикальной координате, dN - прогиб полос в интерферограмме плоской поверхности, нормированный на период интерференционных полос, Яа - параметр шероховатости рельефа.
Режим вертикального сканирования
Режим с двумя интерферограммами невозможно использовать для измерения формы рельефа поверхности с высокой шероховатостью, совершенно разрушающей интерференционные полосы. На рис. 5 показана типичная шероховатая поверхность металлического покрытия, сформированного гальваникой при изготовлении печатной платы на керамической подложке. Для измерения глубины и формы рельефа таких поверхностей был разработан режим вертикального сканирования. В режиме вертикального сканирования для определения глубины микрорельефа обрабатывается серия интеферограмм, снятых с заданным шагом по вертикальной координате при медленном перемещении интерференционного блока поворотом ручки фокусировки. Алгоритм расчёта базируется на определении максимума локального изменения яркости поверхности по серии интерферограмм, снятых с периодом 150 нм (четверть эквивалентной длины волны). На рис. 6 изображены начальный этап съемки серии ин-терферограмм и результат работы алгоритма определения профиля и глубины микрорельефа.
Ив'У*'"'» гад -
Рис. 5. Фотография шероховатой поверхности покрытия печатных плат
Рис. 6. Начальный этап съемки серии интерферограмм (слева) и результат работы алгоритма вертикального сканирования (справа)
Эксперименты показали, что погрешность измерения можно оценить по формуле АЭ =±(50 нм+0.01-Т+0,3-Яа) нм, где Яа - параметр шероховатости рельефа, Т - измеренное значение глубины микрорельефа. Прибор был успешно испытан на образцах с параметром Яа шероховатости до 1 мкм.
Заключение
Разработанный оптический профилометр позволяет производить измерение толщины плёнок, глубины и формы рельефа покрытий разных типов материалов, в том числе с высокой шероховатостью. Основными преимуществами профилометра являются: возможность бесконтактного измерения образца, диапазон измерения глубины до ±50 мкм, нанометровая точность измерения для глубин рельефа порядка нескольких микрон и субмикронная точность измерения для глубин профиля в несколько десятков микрон.
Исследование выполнено за счет средств субсидии на финансовое обеспечение выполнения государственного задания (№ Гос. регистрации АААА-А17-117052210002-7) в ИАиЭ СО РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Профилограф-профилометр АБРИС ПМ7.2 [Электрон. данные] // Официальный сайт НПП «Техноком». - http://tehnokom.opt.ru/page_katalog_6333.html.
2. Микроскоп интерференционный автоматизированный (динамический) МИА-Д [Электрон. данные] // Официальный сайт ВНИИОФИ. - Режим доступа: http://www.vniiofi.ru/depart/m44/mia-d.html
3. Интерференционный микроскоп-нанопрофилометр МНП [Электрон. данные] // Официальный сайт КТИ НП СО РАН. - http://www.tdisie.nsc.ru/Rus/nano_rus.html
4. В.П. Корольков, А.Е. Качкин, Р.В. Шиманский. Модернизация микроинтерферометров МИИ-4 и МИИ-4М // Мир измерений. - 2012. - N10. - С. 37-40.
5. Микроинтерферометр МИИ-4М [Электрон. данные] // Официальный сайт ОАО "ЛОМО". - Режим доступа: http://lomo-microsystems.ru / Mii-4M.html, свободный.
© Р. В. Шиманский, В. П. Корольков, А. Е. Качкин, 2018
