CC BY
60
УДК 681.723.26:681.786.5
ВЫСОКОТОЧНЫЕ ПОПЕРЕЧНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ В ОПТИЧЕСКОМ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОМ МИКРОСКОПЕ
Евгений Владимирович Сысоев
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: evsml@mail.ru
Родион Владимирович Куликов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: rstalcker@ngs.ru
Хоан Хун Хай
Национальный университет Тайваня, Отделение механического приборостроения, 1, сектор 4, 10617, Тайвань, г. Тайпей, ул. Рузвельта, аспирант, e-mail: hoanghai.aoibk@gmail.com
Юрий Васильевич Чугуй
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, доктор технических наук, директор; Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, тел. (383)306-58-95, e-mail: chugui@tdisie.nsc.ru
Игнат Александрович Выхристюк
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, заведующий лабораторией, тел. (383)306-62-12, e-mail: uic@ngs.ru
Лян-Чиа Чень
Национальный университет Тайваня, Отделение механического приборостроения, 1, сектор 4, 10617, Тайвань, г. Тайпей, ул. Рузвельта, профессор, e-mail: lchen@ntu.edu.tw
Куан-Чао Фань
Национальный университет Тайваня, Отделение механического приборостроения, 1, сектор 4, 10617, Тайвань, г. Тайпей, ул. Рузвельта, профессор, e-mail: fan@ntu.edu.tw
Предложено использовать датчик обнаружения положения резкого края для обеспечения высокого поперечного разрешения линейных измерений в оптическом интерференционном микроскопе. Приводится схема экспериментальной установки, включающей в себя интерферометр Линника, используемый для измерения нанорельефа поверхности и модуль обнаружения положения резкого края. Представлено описание процесса измерения и экспериментальные результаты. Совмещение результатов измерений, выполненных интерферометром Линника и датчиком обнаружения положения резкого края, на примере измерения ступенчатой структуры позволило нам показать возможность прецизионного определения положения резкого края.
Ключевые слова: интерферометр, поперечное разрешение, измерение нанорельефа.
HIGHPRECISION LATERAL LINEAR MEASUREMETNS IN THE OPTICAL INTEREFERENCE MICROSCOPE
Evgeny V. Sysoev
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., Leading Researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: evsml@mail.ru
Rodion V. Kulikov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Junior Researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: rstalcker@ngs.ru
Hoang Hong Hai
National Taiwan University, Department of Mechanical Engineering, 1, Sec. 4, 10617, Taiwan, Taipei, Roosevelt Road, Postgraduate student, e-mail: hoanghai.aoibk@gmail.com
Yuri V. Chugui
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Director; Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova St.; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 Karla Marksa Prospekt, tel. (383)306-58-95, e-mail: chugui@tdisie.nsc.ru
Ignat A. Vykhristyuk
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Laboratory Head, tel. (383)306-62-12, e-mail: uic@ngs.ru
Liang-Chia Chen
National Taiwan University, Department of Mechanical Engineering, 1, Sec. 4, 10617, Taiwan, Taipei, Roosevelt Road, Рrofessor, e-mail: lchen@ntu.edu.tw
Kuang-Chao Fan
National Taiwan University, Department of Mechanical Engineering, 1, Sec. 4, 10617, Taiwan, Taipei, Roosevelt Road, Lifetime Distinguished Professor, e-mail: fan@ntu.edu.tw
The application of sensor for sharp-edge position detection to ensure the high lateral resolution of linear measurements in the optical interference microscope has been proposed. Optical scheme of experimental setup including Linnik interferometer which is used to measure surface nanorelief and module of sharp-edge position detection are given. The measurement process description and experimental results are presented. The combination of measurement results performed by Linnik interferometer and sensor of the sharp-edge position detection using as the example the step structure measurement allows us to show the possibility of sharp-edge position precision finding.
Key words: interferometer, lateral resolution, nanorelief measurement.
Современные оптические интерференционные профилометры обладают высоким продольным разрешением. Предельное, экспериментально подтвержденное, разрешение по высоте составляет величину менее 30 пм [1]. Однако
поперечное разрешение ограничено дифракционным пределом и составляет 200 -300 нм. Измерительные технологии последнего времени требуют значительно более высокого поперечного разрешения [2]. Такая задача встречается, например, при измерении шага периодических структур [3]. Одним из способов повышения поперечного разрешения является высокоточное определение положения резкого края 3D рельефа поверхности. Для решения этой задачи в работе [4] предложен датчик, который позволяет определять положение резкого края с разрешением 1 нм.
В данной работе предложено в одной оптической схеме совместить интерференционный микроскоп [5] и датчик положения резкого края. Это может существенно увеличить точность определения положения резкого края относительно измеренного рельефа поверхности. Также описывается оптическая схема экспериментальной установки и полученные экспериментальные результаты.
Для реализации этого подхода в интерферометр добавляется дополнительный источник света и оптический канал регистрации, находящиеся на одной оси с оптическими элементами схемы интерферометра. В качестве дополнительного источника света используется лазер, свет которого фокусируется в зоне измерения интерферометра. На рис. 1 показана схема макета экспериментальной установки, состоящего из следующих элементов: 1 - лазер (HeNe, Хср = 633 нм), 2 - осветитель (светодиод, Хср = 533 нм), 3 - светоделительная пластина, 4 - светоделительный кубик, 5 и 6 - два микрообъектива (Nikon CF Plan 50х/0.55 EPI EWLD œ/0 WD 8.7 f = 4 мм), 7 - тубусная линза (Nikon f = 200 мм), 8 - оптическое зеркало, установленное на пьезокерамический ак-тюатор 9 (PI P-725.4CD PIFOC) в опорном плече, объект измерения 10 (QC 88 VLSI калибр высоты 880Â), установленный на однокоординатный пьезо-столик 11 (PI P-622.1CD PIHera) в измерительном плече интерферометра. В канале регистрации установлен дополнительный светоделительный кубик 12 для обеспечения двух каналов регистрации. Регистрация интенсивности лазерного пятна, отраженного объектом измерения, выполнялась при помощи квадрантного фотоприемника 13 (SPOT 4D). Регистрация интерферограмм выполнялась ПЗС камерой 14 (SONY XC-HR50, размер пикселя 7,4 х 7,4 мкм, количество пикселей 659 х 494, размер матрицы 4,87 х 3,65 мм). Размер поля измерения рельефа поверхности 97,5 х 73,1 мкм. Размер пятна лазера в поле измерения ~ 6 мкм.
Процесс измерения состоит из двух частей: интерференционное измерение высоты рельефа поверхности и определение положение резкого края.
При интерференционном измерении высоты рельефа поверхности выполняется регистрация нескольких интерферограмм с заданным фазовым сдвигом. По этим интерферограммам производится расчет высоты 3D рельефа поверхности (ось Z). Поперечные координаты рельефа поверхности (оси X и Y) вычисляются по сетке пикселей ПЗС-камеры, исходя из увеличения оптической системы и физического размера пикселя.
Для определения положений резких краев выполняется прецизионное перемещение объекта измерения в плоскости (по осям X и Y). В каждом положении, при помощи дополнительного фотоприемника, регистрируется интенсив-
ность сфокусированного на поверхности объекта измерения лазерного пятна. В случае перемещения резкого края поверхности через лазерное пятно света в распределении интенсивности наблюдается локальный минимум. Совмещение результатов измерений позволяет уточнить положения резких краев на рельефе, измеренном при помощи интерферометра.
Рис. 1. Схема экспериментального макета
Для проверки предлагаемого способа повышения точности линейных измерений в интерферометре был проведен эксперимент по измерению рельефа поверхности и определению положения резкого края ступеньки калибра высоты.
Объект измерения позиционировался таким образом, чтобы в поле измерения находилась ступенька. Далее, опорное плечо интерферометра перекрывалось, и ПЗС камерой регистрировалось изображение поля измерения, содержащее край ступеньки и лазерное пятно. Это изображение сохранялось на компьютере и в дальнейшем использовалось для определения положения лазерного пятна в поле измерения (рис. 2). После этого опорное плечо интерферометра открывалось, лазер - закрывался. При помощи ПЗС камеры регистрировалось пять интерферограмм, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 90°. Ин-терферограммы сохранялись на компьютере и использовались для восстановления измеренного рельефа поверхности. Далее, открывался лазер, а светодиод и опорное плечо интерферометра перекрывались. При помощи квадрантного фотоприемника регистрировалось суммарное (по 4-м элементам) значение ин-
тенсивности лазерного пятна в текущем положении объекта измерения. В следующем положении объекта измерения выполнялась та же процедура регистрации интенсивности. Перемещение объекта измерения выполнялось с шагом 1 мкм, диапазон перемещений от 0 до 24 мкм. Полученные значения интенсивности были сохранены в компьютере и представлены в виде зависимости интенсивности от перемещения объекта измерения. В результате определения начального положения лазерного пятна в поле измерения рельефа поверхности было определено сечение измеренного рельефа поверхности, соответствующее полученному распределению интенсивности. Результаты измерений рельефа поверхности ступеньки и соответствующее распределение интенсивности совмещены на одном графике.
Рис. 2. Начальное положение объекта измерения
Рис. 3. Конечное положение объекта измерения
Рис. 4. модель поверхности измеренного рельефа
Рис. 5. Распределение высот в измеренном рельефе
В результате проведенного эксперимента было получено распределение интенсивности с шагом сканирования 1 мкм. Расчетное поперечное разрешение оптической системы на длине волны Хср = 533 нм составляет 591 нм.
Процесс определения положения резкого края не был автоматизирован, что затруднило выполнение прецизионного перемещения образца измерения и совмещения результатов измерений.
х, [мкм]
Рис. 6. Результат измерений:
1 - измеренное сечение рельефа поверхности, 2 - зависимость регистрируемой фотоприемником интенсивности от положения объекта измерения, 3 - положение минимума
Полученные экспериментальные результаты подтвердили надежность определения резкого края предложенным методом и возможность совмещения положения резкого края с измеряемым 3D рельефом.
В дальнейшем планируется повторить эксперимент, в котором процесс определения положения резкого края будет автоматизирован.
Данная работа выполнена в рамках совместной работы КТИ НП СО РАН и Национального университета Тайваня (проект СО РАН №13).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Sysoev E. V., Kosolobov S. S., Kulikov R. V., Latyshev A. V., Simikov S. V., Vykhristuk I. A. Precision measurements of subnanoscaled relief by interferometric method // ISMTII 2013. 11th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments (Germany, Aachen, 1-5 July, 2013): [Abstr.] - Aachen, 2013. - P. 170.
2. Huebner U., Morgenroth W., Boucher R., Meyer M., Mirande W., Buhr E., Ehret G., Dai G., Dziomba T., HildT R., Fries T. A nanoscale linewidth/pitch standard for high-resolution optical microscopy and other microscopic techniques // Measurement Science Technology. - 2006. - No. 17. - P. 1-8.
3. Xiao D., Tong-Bao L., Li-Hua L., Yan M., Rui M., Jun-Jing W., Yuan L. Fabrication and measurement of traceable pitch standard with a big area at trans-scale // Chinese Physics B. - 2014. - Vol. 23, No. 9. - P. 090601-1 - 090601-5.
4. Fan K.-C., Zhang K., Zhang Y.-L., Zhang Q. Development of a non-contact focusing probe for the measurement of micro cavities // International Journal of Automation Technology. - 2013. -Vol. 7, No. 2. - P. 156-162.
5. Сысоев Е. В., Выхристюк И. А., Куликов Р. В., Поташников А. К., Разум В. А., Степнов Л. М. Интерференционный микроскоп-профилометр // Автометрия. - 2010. - Т. 46, № 2. - С. 119-128.
© Е. В. Сысоев, Р. В. Куликов, Хоан Хун Хай, Ю. В. Чугуй, И. А. Выхристюк, Лян-Чиа Чень, Куан-Чао Фань, 2015
