CC BY
46
УДК 535-46
СПЕКЛ-ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ ШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗА
Александр Викторович Макеев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (923)241-85-15, e-mail: [email protected]
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Дается краткий обзор методов эллипсометрических исследований на шероховатых поверхностях. Подробно описан метод спекл-эллипсометрии. Представлены экспериментальные результаты регистрации спекл-картин отраженного поляризованного лазерного излучения от металлической поверхности с микрорельефом. Показаны возможности вейвлет-анализа спекл-эллипсометрических картин.
Ключевые слова: шероховатость поверхности, эллипсометрия, поверхностный слой, спекл-эллипсометрия, спекл, вейвлет-анализ.
SPECKLE ELLIPSOMETRY OF ROUGH SURFACES USING THE WAVELET ANALYSIS
Alexander V. Makeev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., graduate student of the Department of Nanosystems and Optics, tel. (923)241-85-15, e-mail: [email protected].
Valerik S. Hayrapetyan
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Head of the Department of Special Devices and Technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
A brief review of the ellipsometric investigations methods on rough surfaces is given. The method of speckle-ellipsometry is described in detail. Experimental results of registration the speckle patterns of reflected polarized laser radiation from a metallic surface with a microrelief are presented. The possibilities of wavelet analysis of speckle-ellipsometric images are shown.
Key words: rough surface, ellipsometry, surface layer, speckle-ellipsometry, speckle, wavelet analysis.
Повышение качества выпускаемой продукции является одной из наиболее актуальных задач современной промышленности. Срок службы изделия, безотказность его работы напрямую зависит от состояния микрорельефа поверхностного слоя. Поэтому применение высокоэффективных методов для контроля состояния поверхностных слоев деталей предоставляют большие резервы, для повышения качества выпускаемой продукции. Методы контроля состояния по-
верхностного слоя деталей должны обеспечивать высокую точность и локальность получаемых в процессе измерения результатов [1].
Таким образом задачами настоящей работы являются: рассмотреть возможности эллипсометрии, как метода исследования шероховатости поверхностного слоя, представить спекл-эллипсометрический метод анализа микрорельефа поверхности с компьютерной обработкой результатов, на основе вейвлет-анализа.
Эллипсометрические методы, используемые для исследования поверхностных слоев очень чувствительны к изменению параметров отражающей системы, одним из которых является шероховатость поверхностного слоя. В работах отечественных и зарубежных ученых [2-11] описаны различные способы решения задачи эллипсометрии для поверхностей с шероховатостью. Большинство эллипсометрических методов исследования поверхности основано на анализе изменении состояния поляризации отраженного пучка, измеренные параметры не могут однозначно соотносится с параметрами микрорельефа поверхности и требуют для анализа использования различных способов моделирования шероховатости поверхности, что является достаточно трудоемкой задачей. Возможна ситуация, при которой рельеф шероховатой поверхности оказывается сложнее используемой модели. Предпринимались попытки моделирования шероховатости поверхности периодическими дифракционными решетками различного профиля [6-8], по методу «эффективного слоя» и «эффективной подложки» [3]. В работе [5] предложен оригинальный метод моделирования шероховатости поверхности с помощью случайных фазовых масок (СФМ).
Отдельного внимания заслуживает метод спекл-эллипсометрии [12]. Суть данного метода заключается в том, что поляризованное лазерное излучение рассеиваясь от объекта со случайным микрорельефом претерпевает случайную модуляцию [13-14]. При визуализации спекл-картины можно наблюдать случайные световые пятна, которые распределены в зависимости от микрорельефа рассеивающей поверхности, что позволяет производить прямой анализ микрорельефа, без разработки его модели. Данный метод обладает всеми достоинствами бесконтактных методов контроля шероховатости поверхности, позволяет осуществлять контроль in situ.
В ходе проведения экспериментальных исследований на лазерном эллип-сометре ЛЭФ-3М-1 (X = 0,6328 мкм) была произведена регистрация спекл-картины металлической поверхности c Rz < 0,063 мкм [15], при угле падения лазерного пучка 68 градусов (рис. 1).
На рис. 2 представлена спекл-картина участка поверхности с дефектом в виде царапины. Угол падения лазерного пучка составляет 68 градусов.
Однако среди недостатков данного метода можно выделить отсутствие методов анализа спекл-картин, позволяющих обеспечить высокоточное выделение и локализацию спекл-структур [12]. Для решения этой задачи использован метод вейвлет-анализа. В качестве материнского вейвлета выбран вейвлет Мейра, имеющий следующий вид [16-17]:
í 1 л
2п
V 2
d v
' ) = 2 J sin [Q(v)] cos
0
Частотная форма:
ф = exp( ynv)sin [o(v)] , где v - базис; Q(v) - четная, симметричная при v =1 функция
2
Q(1 -v) = -|-n(v), при 1 <v< 2
(1)
(2)
Í л Л
Q
V 2 у
п 4
Рис. 1. Спекл-картина Rz < 0,063 мкм
Рис. 2. Спекл-картина участка поверхности с дефектом
На рис. 3 представлено графическое изображение вейвлета Мейра
Рис. 3. Вейвлет Мейра 43
На рис. 4 представлен результат детализации спекл-картины по горизонтали (а), вертикали (б) и диагонали (в), с помощью вейвлет-преобразования в среде МАТЬАВ.
Рис. 3 Детализация спекл-картины в среде МА^АВ
На рис. 5 представлена карта поверхности после двумерной вейвлет обработки с использованием вейвлета Мейра.
Рис. 5. Карта поверхности после двумерной вейвлет-обработки с использованиием вейвлета Мейра
Таким образом, в данной работе приведен краткий обзор эллипсометриче-ских методов исследования шероховатости поверхности. Произведена регистрация спекл-эллипсометрических картин поляризованного лазерного излучения, отраженного от поверхности с шероховатостью < 0,063мкм. Показаны результаты компьютерной обработки спекл-картин методом вейвлет-анализа в среде МАТЬАВ. Производится дальнейшее совершенствование и оптимизация алгоритмов обработки и анализа спекл-эллипсометрических картин.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Макеев А. В., Айрапетян В. С. Анализ современных методов исследования шероховатости поверхности деталей // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 4 (28). - С. 80-86.
2. Основы эллипсометрии / А. В. Ржанов, К. К. Свиташев и др. - Новосибирск : Наука, 1978. - С. 338-343.
3. Данилова Т .М. Эллипсометрические и спектрофотометрические методы исследования и контроля оптических характеристик поверхностных слоев элементов оптотехники : ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.11.07. - СПб., 2011. - 22 с.
4. Стаськов Н. И., Ивашкевич И. В., Крекотень Н. А. Эллипсометрия переходных слоев полупроводник - диэлектрик // Проблемы физики, математики и техники. - 2013. - № 2 (15). - С. 18-24.
5. Свиташева С. Н. Эллипсометрия шероховатых поверхностей : автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.05. - Новосибирск, 2009. - 29 с.
6. Эллипсометрия диффрагированного света / Г. А. Егорова, Э. С. Лонский, Е. В. Потапов, А. В. Раков // Микроэлектроника. - 1980. - Вып. 4. - C. 319.
7. Elson, J., Bennett, J. Relation Between the Angular Dependence of Scattering and the Statistical Properties of Optical Sufaces // J. Opt. Soc. Am. - 1979. - 69, 1. - P. 31.
8. Azzam R. M. A., Bashara N. M. Polarization characteristics of scattered radiation from a diffraction grating by ellipsometry with application to surface roughness // Phys. Rev. B. -1972. - V. 5, N12. - P. 4721.
9. Marton J. P. Chan E. C. Surface roughness interpretation of ellipsometer measurements using the generalized Maxwell Garnett theory // J. Appl. Phys. - Vol. 45, № 11. - P. 5008.
10. Ohlidal I., Lukes F. Ellipsometric parameters of randomly rough surfaces // Opt. Comm. - Vol. 5, № 5. - P. 323.
11. Smith T. Effect of surface roughness on ellipsometry of Aluminium // Surf. Sci. -Vol. 56. - P. 252.
12. Скалецкая И. Е. Введение в прикладную эллипсометрию : учеб. пособие по курсу «Оптические измерения». Ч. 2: Свойства решений ОУЭ для однородных слоев. - СПб. : СПбГУИТМО, 2007. - С. 43-45.
13. Франсон М. Оптика спеклов. - М. : Мир, 1980.
14. Ульянов С. С. Что такое спеклы // Соросовский образовательный журнал. - 1999. -№ 5. - С. 1-6.
15. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения.
16. Меркушева А. В. Классы преобразований нестационарного сигнала в информационно-измерительных системах. III: Время-масштабные (вейвлет) преобразования для спектрально-временного анализа // Научное приборостроение. - 2002. - Т. 12, № 3. - С. 68-82.
17. Дьяконов В., Абраменкова И. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. - СПб. : Питер, 2002. - 608 с.
© А. В. Макеев, В. С. Айрапетян, 2017
