CC BY
123
УСПЕХИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОКОГЕРЕНТНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ПРОФИЛОМЕТРИИ
Евгений Владимирович Сысоев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Конструкторско-технологический институт научного приборостроения» СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383) 306-62-12, e-mail: [email protected]
Показано, что использование метода частичного сканирования коррелограмм в совокупности атомно-гладкими поверхностями в опорном плече интерферометра позволило увеличить разрешение по высоте до 25 пм и более чем на порядок снизить систематическую погрешность связанную с фазовыми искажениями волновых фронтов элементами оптической схемы интерферометра. Приведены результаты измерения моноатомных ступеней высотой
0.314 нм на поверхности Si (111) с разрешением ~25 пм.
Ключевые слова: интерференционный нанопрофилометр, нанорельеф, атомногладкая поверхность.
PROGRESS OF WHITE-LIGHT INTERFEROMETRY IN PROFILOMETRY
Evgeny V. Sysoev
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Ph. D., senior scientist tel. (383) 306-62-12, e-mail: [email protected]
It was shown than using of the method of partially corelogramm scanning and an atomic smooth surface as reference mirror of interferometer allow to improve longitudinal resolution up to 25 pm and to decrease systematic error caused by optical aberrations more than an order. The results of measurement of silicon (111) surface containing monatomic steps 0.314 nm height with longitudinal resolution ~25 pm is presented.
Key words: interference, profilometer, nanorelief, atomic-smooth surface.
Измерение микро- и нанорельефа поверхности в современном промышленном производстве [1], метрологии [2] и в научных исследованиях [3] является важным направлением использования интерференционных методов измерения рельефа поверхности как средства неразрушающего контроля. Оптическая интерферометрия фазового продольного сдвига [4], наряду с другими оптическими методами [5], находит все большее применение для решения этих задач. Преимуществом интерференционных измерений рельефа поверхности является бесконтактность, высокая разрешающая способность по глубине рельефа [6], высокая скорость измерений [7] и простота использования [8].
Автоматизация оптических, и в особенности интерференционных, измерений отличается трудоемкостью вычислительных задач [9]. Современные требования увеличения скорости [10] и уменьшения погрешности измерений [11] стимулируют применение новейшей оптико-электронной элементной базы [12]. Развитие средств вычислительной техники позволяет применять в настоящее
время известные [13], ранее считавшиеся трудоемкими, и развивать новые методы оптической интерференционной профилометрии [14].
Анализ состояния и тенденций развития оптической профилометрии продольного фазового сдвига, основанной на интерференции частичнокогерентного света, показывает [4,15,16], что наибольшее распространение получили две схемы интерферометров с делением амплитуды волнового фронта: на базе микроинтерферометра Линника [17] и на базе интерференционного микрообъектива Миро (М1гаи) [18]. На рис. 1 приведена схема микроинтерферометра Линника.
Оба интерферометра включают в себя источник света 1, светоделитель 2, опорное зеркало 3, измеряемую поверхность 4, объективы 5, 8. В интерферометре Миро используется один объектив 6 вместо двух 6, 7 - в интерферометре Линника.
Интерферометры, построенные на основе интерференционного микрообъектива Миро, имеют более простую осесимметричную и компактную конструкцию [19]. Интерферометр, построенный по схеме Линника, дает возможность измерять рельеф с предельно высоким поперечным разрешением.
Рис. 1. Интерферометры с делением амплитуды волнового фронта:
а - Линника, б - Миро
Для измерения рельефа используется интерференция с линиями равной толщины. Информация об изменении рельефа измеряемой поверхности по полю зрения может быть получена разными способами, отличающимися производительностью и погрешностью измерений.
Самым простым методом является трековый метод. Измерение производится по одной интерферограмме. Искривление интерференционных линий в нем связывается с изменением высоты измеряемой поверхности. Измерение можно проводить с высокой скоростью. Этот метод позволяет измерять рельеф поверхности с погрешностью не менее чем 30 нм.
Погрешность измерений может быть уменьшена с использованием двух и более интерферограмм, по которым, на основе тригонометрических формул (метод пошагового фазового сдвига), вычисляется абсолютная фаза интерференции для каждой измеряемой точки поверхности [20]. Расчет производится
на основе предположения о косинусоидальном характере интенсивности в ин-терферограммах. Разрешающая способность метода, при хорошем отношении сигнал/шум, может быть доведена до 1 нм [21]. Предположение о косинусоидальном характере изменения интенсивности может приводить к увеличению погрешности измерений.
Для устранения неоднозначности измерений в интерферометрах используется частично когерентный свет. В этом случае интерференция существует только для узкого диапазона разности оптических путей интерферирующих волн. Функция огибающей коррелограмм частично когерентного света используется в современных методах измерения рельефа поверхности с перепадами высоты в большом диапазоне. Этот метод позволяет достичь разрешения по высоте 0.1 нм, но при этом требуется выполнять
сканирование с шагом Az четверть (и менее) эффективной длины волны А света
(Az < А).
Сканирующие интерферометры с продольным сдвигом получили широкое распространение и выпускаются компаниями Veeco (NT9800), Zygo (NewView700), ST Instruments (Xi-100) и др.
К недостаткам относятся: высокие требования к равномерности продольного сдвига; предположение о косинусоидальном характере коррелограммы. Диапазон измерения по высоте определяет общий диапазон сканирования, что предъявляет высокие требования к линейности системы механического сканирования, используемой для продольного сдвига и существенно снижает производительность измерений.
Фаза интерференции для линий равной толщины определяется разностью оптического хода волн в обоих плечах интерферометра и, таким образом, определяется не только рельефом измеряемой поверхности, но и микро и нанонеровностями (качеством) поверхности опорного зеркала.
Для измерений рельефа в субнанометровом диапазоне предложено использовать большой набор интерферограмм, получаемый в процессе сканирования с
шагом Az «А [22].
Погрешности измерений связаны не только с числом интерферограмм, условиями их регистрации и математических алгоритмов для их обработки, но и с качеством оптических элементов, используемых в интерферометрах. Для снижения систематических погрешностей и увеличения разрешающей способности по высоте предложено использовать атомно-гладкую поверхность в качестве опорного зеркала интерферометра [23].
Использование метода частичного сканирования коррелограмм [22] в совокупности атомно-гладкими поверхностями позволило увеличить разрешение по высоте до 25 пм и более чем на порядок снизить систематическую погрешность, связанную с фазовыми искажениями волновых фронтов элементами оптической схемы интерферометра.
На рис. 2 приведены результаты измерений моноатомных ступеней высотой 0.314 нм на поверхности Si с разрешением ~25 пм.
Рис. 2. Моноатомные ступени на поверхности кристалла Si (111): а - 3D рельеф; б - гистограмма высот нанорельефа
На рис. 3 показан микроскоп МНП-1, разработанный в КТИ НП СО РАН. МНП-1 позволяет измерять нанорельеф поверхности с субнанометровым разрешением.
Рис. 3. Интерференционный нанопрофилометр МНП-1:
1 - оптико-механический блок, 2 - контроллер управления, 3 - компьютер
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Peter de Groot, Jim Biegen, Jack Clark, Xavier Colonna de Lega, and David Grigg Optical interferometry for measurement of the geometric dimensions of industrial parts // APPLIED OPTICS. - 2002. - V. 41. - N. 19. - Р. 3853-3860.
2. Гоголев Д. В., Лысенко В.Г. // Метрологическое обеспечение измерительных систем: Тр. V Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза. - 2008. - С. 22.
3. Carlsson T.E., Nilsson B. Measurement of distance to diffuse surfaces using non-scanning coherence radar // Journal of Optics. - 1998. - Т. 29. - № 3. - С. 146-151.
4. Harasaki, Akiko; Schmit, Joanna; Wyant, James C Improved Vertical-Scanning Interferometry // Applied Optics. - 2000. - Vol. 39. - Issue 13. - Р. 2107-2115.
5. Cheng, Chuanfu; Liu, Chunxiang; Zhang, Ningyu; Jia, Tianqing; Li, Ruxin; Xu, Zhizhan Absolute Measurement of Roughness and Lateral-Correlation Length of Random Surfaces by Use of the Simplified Model of Image-Speckle Contrast // Applied Optics. - 2002. - V. 41. - Issue 20. -Р. 4148-4156.
6. Fleischer, Matthias; Windecker, Robert; Tiziani, Hans J Theoretical Limits of Scanning White-Light Interferometry Signal Evaluation Algorithms // Applied Optics. - 2001. - V. 40. - Issue 17. - Р. 2815-2820.
7. Deck, Leslie; de Groot, Peter High-speed noncontact profiler based on scanning white-light interferometry // Applied Optics. - 1994. - V. 33. - Issue 31. - Р. 7334-7338.
8. Li, Tianchu; Wang, Anbo; Murphy, Kent; Claus, Richard White-light scanning fiber Mi-chelson interferometer for absolute position-distance measurement // Optics Letters. - 1995. -V. 20. - Issue 7. - Р. 785-787.
9. Morgan CJ. Least squares estimation in phase-measurement interferometry // Optics Letters. - 1982. - V. 7. - Р. 368-370.
10. Wolfgang Osten White-light interferometry with higher accuracy and more speed Fringe 2005. - 2005. - Р. 605-612.
11. Zhu Y, Gemma T. Method for designing error-compensating phase-calculation algorithms for phaseshifting interferometry // Applied Optics. - 2001. - V. 40. - p. 4540-4546.
12. Nakata, Toshihiko; Watanabe, Masahiro Ultracompact and highly sensitive common-path phase-shifting interferometer using photonic crystal polarizers as a reference mirror and a phase shifter // Applied Optics. - 2009. - V. 48. - Issue 7. - Р. 1322-1327.
13. Matthias Fleischer, Robert Windecker, and Hans J. Tiziani Fast algorithms for data reduction in modern optical three-dimensional profile measurement systems with MMX technology // Applied Optics. - 2000. - V. 39. - N. 8. - Р. 2019-2023.
14. Munteanu, Florin; Schmit, Joanna Iterative least square phase-measuring method that tolerates extended finite bandwidth illumination // Applied Optics. - 2009. - V. 48. - Issue 6. -Р.1158-1167.
15. Pavlicek, Pavel; Soubusta, Jan Measurement of the Influence of Dispersion on White-Light Interferometry // Applied Optics. - 2004. - V. 43. - Issue 4. - Р. 766-770.
16. Sun, Changsen; Yu, Longcheng; Sun, Yuxing; Yu, Qingxu Scanning white-light interferometer for measurement of the thickness of a transparent oil film on water // Applied Optics. -2005. - V. 44. - Issue 25. - Р. 5202-5205.
17. Линник В.П. Прибор для интерференционного исследования микропрофиля поверхности - "микропрофилометр" // Докл. АН СССР. - 1945. - т. 49. - №9. - с. 656-657.
18. Gordon S. Rino, Stanley S.C.Chim Mirau correlation microscope // Applied Optics. -1990. - V. 29. - N. 26. - Р. 3775-3783.
19. Chim, Stanley S C; Kino, Gordon S Phase measurements using the Mirau correlation microscope // Applied Optics. - 1991. - V. 30. - Issue 16. - Р. 2197-2201.
20. Ильиных С.П., Гужов В.И. Обобщенный алгоритм расшифровки интерферограмм с пошаговым сдвигом // Автометрия. - 2002. - 38. - № 3. - С. 122-126.
21. В.И. Гужов, С.П. Ильиных Компьютерная интерферометрия: учебное пособие. -Новосибирск: изд-во НГТУ, 2004. - С. 75.
22. Сысоев Е.В. Метод частичного сканирования коррелограмм для измерения микрорельефа поверхностей //Автометрия. - 2007. - Т. 43. - № 1. - С. 107.
23. Ситников C.B., Косолобов С.С., Щеглов Д.В., Латышев А.В. Способ формирования плоской гладкой поверхности твердотельного материала, Патент RU 2453874, 2011.
© Е.В. Сысоев, 2013
