ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
HOLOGRAPHIC INTERFEROMETRE FOR MEASUSURING DEFORMATIONS OF FLAT SURFACE OF SOLID-STATE ELECTRONICS ELEMENTS

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к оптическим устройствам измерения, и может быть использовано для измерения деформаций плоской поверхности элементов твердотельной электроники.
Известен голографический интерферометр для измерения деформаций (схема Лейта и Упатниекса), содержащий источник излучения, светоделитель, объективы, отражатели, исследуемый объект и голографический регистратор (носитель записи в виде фотопластины). («Оптическая голография. Практические применения» / Под ред. В.М.Гинзбурга и Б.М.Степанова - Советское радио, 1978 г., стр.6).
В голографическом интерферометре по схеме Лейта и Упатниекса предметный и опорный пучки (волны) разделены в пространстве, пересекаются с одной стороны непосредственно перед фотопластиной и падают на нее под разными углами. Это позволяет, во-первых, голографировать непрозрачные предметы сложной формы, а во-вторых, разнести восстановленные в лазерном свете изображения в пространстве. Двухлучевая схема с опорным пучком широко используется для получения объемных изображений диффузно отражающих объектов с углом до 120 градусов.
Однако относительно сложная схема голографического интерферометра (требуются элементы для деления световых пучков и выравнивания путей этих пучков), использование фотопластин с разрешающей способностью до 3000 линий/мм и низкой чувствительностью, а также повышенные требования к виброизоляции установки, к мощности и когерентности лазера ограничивают применение этого голографического интерферометра в широкой практике.
Известен также голографический интерферометр для измерения деформаций плоской поверхности элементов твердотельной электроники во встречных лучах по схеме Ю.Н.Денисюка, содержащий источник излучения с коллиматором, объектив, исследуемый объект и голографический регистратор, представляющий из себя носитель записи в виде фотопластинки. («Оптическая голография. Практические применения». / Под редакцией В.М.Гинзбурга и Б.М.Степанова - Советское радио, 1978 г., стр.7). В голографическом интерферометре по схеме Ю.Н. Денисюка объектный и опорный пучки (волны) приходят к фотопластинке с противоположных сторон и интерферируют в слое фотографической эмульсии, в объеме которой на разной высоте в областях максимумов интерференции возникают микроскопические пятна почернения. Падающий на проявленную голограмму свет отражается от них и, интерферируя, формирует восстановленное изображение предмета. При этом из голограммы выходит только свет, длина волны которого равна длине волны записывающего лазерного излучения, а все остальные длины волн автоматически подавляются. Объемную голограмму восстанавливают обычным белым светом, получая монохромное изображение.
Голограммы, полученные по схеме со встречными волнами, благодаря избирательности по отношению к длине волны восстанавливающего излучения, позволяют восстанавливать изображение с помощью источника, имеющего сплошной спектр. Кроме того, с такой голограммы восстанавливается только одно изображение.
Однако регистрация голограмм во встречных пучках с помощью голографического интерферометра по схеме Ю.Н. Денисюка, при измерении деформаций объектов в производственных условиях ограничена влиянием вибрации, смещений и поворотов исследуемых объектов как жесткого тела. Вибрации объекта вызывают колебания свободной, незакрепленной фотопластины относительно поверхности объекта, что искажает информацию о перемещениях точек деформируемой поверхности. Поэтому основным недостатком данного голографического интерферометра является низкая точность измерения деформаций плоской поверхности элементов твердотельной электроники.
Наиболее близким техническим решением является конструкция голографического интерферометра для измерения деформаций плоской поверхности элементов твердотельной электроники, являющегося прототипом, в котором устранены эти ограничивающие факторы за счет прикрепления фотопластины к исследуемому объекту с помощью ПОС - промежуточной оптической среды (Л.Борыняк, Ю.Непочатов. Голографический интерферометр для определения деформационных полей перемещений в изделиях микроэлектроники. «Технологии в электронной промышленности», №3, 2007 г.). Голографический интерферометр для измерения деформаций плоской поверхности элементов твердотельной электроники содержит источник излучения с коллиматором, объектив, исследуемый объект, фотопластину и промежуточную оптическую среду, размещенную между фотопластиной и исследуемым объектом. В качестве ПОС выбран материал, имеющий модуль сдвига меньший, чем модуль сдвига материала фотопластины и модуль сдвига материала изделия. В этом случае влияние перемещений точек деформируемой поверхности исследуемого объекта на изменение линейных размеров фотопластины мало, что и позволяет реализовать схему контактного голографического интерферометра, исключающего искажения информации о перемещениях точек деформации поверхности.
Однако с помощью этого голографического интерферометра измерение деформаций с высокой точностью возможно только при приложении механических нагрузок. В случае же воздействия тепловых нагрузок на исследуемый объект все параметры промежуточной оптической среды (модуль упругости, модуль Юнга, коэффициенты отражения, поглощения и преломления светового потока) и ее оптические характеристики изменяются, что приводит к неконтролируемым погрешностям измерения деформаций, т.е. к снижению точности измерения.
Задачей изобретения является повышение точности измерения деформаций плоской поверхности элементов твердотельной электроники.
Данная задача решается за счет того, что в известном голографическом интерферометре для измерения деформаций плоской поверхности элементов твердотельной электроники, содержащем источник излучения с коллиматором, объектив, исследуемый объект, фотопластину и прозрачную промежуточную оптическую среду, размещенную между фотопластиной и исследуемым объектом, промежуточная оптическая среда выполнена в виде периодической структуры из выступов и впадин с периодом от 200 до 5000 мкм и с отношением ширины выступа к расстоянию между выступами как 1:10.
Изобретение пояснено чертежами. На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого голографического интерферометра для измерения деформаций плоской поверхности элементов твердотельной электроники с контактным голографическим способом записи информации. На фиг.2 (вид А) представлен вид сверху (без фотопластины) на исследуемый объект - полевой кремниевый транзистор со статической индукцией КП919, с двумя кристаллами в корпусе типа КТ-9Б, мощностью 100 Вт, предназначенный для работы в усилителях низкой частоты. На фиг.3 (вид в поперечном сечении Б-Б) изображена промежуточная оптическая среда (ПОС), выполненная в виде периодической структуры из выступов и впадин, при этом выступы представляют из себя квадратные столбики, на фиг.4 (вид в поперечном сечении Б-Б) представлена ПОС, выполненная в виде сетки, и на фиг.5 (вид в поперечном сечении Б-Б) изображена ПОС, у которой выступы изготовлены в форме гребней. На фиг.6.1, 7.1, 8.1 показаны интерферограммы, полученные с использованием конструкции известного контактного голографического интерферометра (прототип), а на фиг.6.2, 7.2, 8.2 представлены интерферограммы, полученные с использованием предлагаемой конструкции голографического интерферометра, в которой ПОС выполнена в виде периодической структуры из выступов и впадин в виде столбиков (фиг.6.2), в виде сетки (фиг.7.2) и в виде гребней (фиг.8.2).
Голографический интерферометр для измерения деформаций плоской поверхности элементов твердотельной электроники (фиг.1) содержит последовательно расположенные источник излучения (лазер) 1, элементы коллиматора - микрообъектив 2 и микродиафрагму 3, объектив 4, носитель записи в виде фотопластины 5 с фотоэмульсией, промежуточную оптическую среду (ПОС) 6 и исследуемый объект, в качестве которого использован мощный транзистор 7 с полупроводниковыми кристаллами 8, припаянными к медной вставке 9 и электрически соединенными алюминиевыми проводниками 10 к выводам корпуса 11, которые изолированы от корпуса транзистора 7 с помощью стеклянных втулок 12. Фотопластина 5 закреплялась к поверхности транзистора 7 посредством ПОС с выступами 13 и впадинами между ними 14 (фиг.3-5).
Голографический интерферометр для измерения деформаций плоской поверхности элементов твердотельной электроники работает следующим образом.
Пучок монохроматического когерентного света, испускаемого лазером 1, расширяется посредством микрообъектива 2 и широкоугольной линзы 4. Диафрагма 3 служит для создания равномерной освещенности и помещается в фокусе линзы 2. Расширенный коллимированный пучок падает сначала на сэндвич, состоящий из фоторегистрирующей эмульсии фотопластины 5 и промежуточную оптическую среду (ПОС) 6 в виде периодической структуры. Пройдя через этот набор сред и отразившись от поверхности исследуемого объекта (транзистора) 7, пучок интерферирует со светом, пришедшим к фоторегистрирующей среде от лазера. Зарегистрированная таким образом интерференционная картина представляет собой голограмму. Оптически прозрачная ПОС 6 в виде периодической структуры, с помощью которой к исследуемому объекту (транзистору) 7 была прикреплена фотопластина 5, служит базой интерферометра. Исследуемый объект (транзистор) 7 устанавливается так, чтобы нормаль к его поверхности совпадала с направлением волнового вектора освещающего пучка. Далее систему «транзистор 7-фотопластина 5» освещали дважды - до и после теплового нагружения. Сделав первую экспозицию в течение 10 секунд, исследуемый объект (транзистор) 7 включался в следующий режим:
Uзатвор-сток<-35 В; Uзатвор-исток<40 В; Uистока=20 В; I<1 А.
После подачи напряжений на исследуемый объект (транзистор) 7 и выдержки в указанном режиме в течение 5 минут для достижения стационарного теплового режима, система «транзистор 7 - фотопластина 5» экспонировалась второй раз также в течение 10 секунд. При этом на фотоэмульсии регистрировались две голограммы, соответствующие свободному и теплонагруженному состояниям деформированного транзистора.
Далее, отключив транзистор 7, т.е. сняв тепловую нагрузку, вынимали его из зажимов и, отделив фотопластину 5 от поверхности транзистора 7, обрабатывали ее в проявителе и в фиксирующем растворе, как это принято в стандартном процессе обработки фотоматериалов. Все операции, начиная с приклейки фотопластины и до окончания процесса проявления, производили в затемненном помещении при слабом освещении его зеленым светом.
Для регистрации восстановленного с голограммы изображения интерференционной картины применяли зеркальный фотоаппарат "Зенит-E" с объективом "Телемар-22". В качестве источника света использовали осветитель с конденсором из комплекта оптической скамьи ОСК-3. Регистрацию интерферограммы осуществляли на фотопленку "Микрат-300". Фотоаппарат жестко закрепляли на специальном штативе как можно ближе к осветителю или точно по нормали к направлению волнового вектора (при использовании полупрозрачного зеркала). Поворачивая кольцо расстояний на объективе, фокусировали его на поверность исследуемого объекта (транзистора). Проверку правильности фокусировки осуществляли посредством проведения контрольной съемки. Для определения экспозиции (при постоянной диафрагме, равной 8) выполняли пробную съемку 8-10 кадров с различными выдержками. Меняя время проявления, добивались достаточного почернения фотопленки при минимальных экспозициях. Далее производили последовательную фотосъемку по 6-8 кадров интерференционных картин каждого вида. В этом случае исключались из рассмотрения случайные искривления полос, вызванные воздушными потоками или другими случайными помехами. Процесс фотосъемки проводили, наблюдая за интерференционными картинами через видоискатель фотоаппарата. Затем печатали фотографии интерферограмм с таким масштабным коэффициентом, при котором частота линий на фотографии не превышала значения 1 линия/см. На обратной стороне каждой фотографии указывались тип и геометрические размеры исследуемого объекта (транзистора), величина и характер приложенной тепловой нагрузки. Для измерения отдельных внутриплоскостных компонент деформаций интерферограммы наблюдались с 2-х симметричных относительно нормали направлений и затем осуществляли расшифровку по методу, изложенному в работе (Борыняк Л.А., Герасимов СИ., Жилкин В.А. Практические способы записи и расшифровки интерферограмм, обеспечивающих необходимую точность определения компонент тензора деформаций. Автометрия, 1982, №1, с.17-24).
По числу полос интерференционных картин и их формам оценивали механизм изменений деформаций корпуса.
Голографический интерферометр, помимо работы по методу двух экспозиций, работает и в режиме реального времени, когда исследуемый объект (транзистор) 7 голографируется в исходном состоянии, голограмму после проявления с высокой степенью точности устанавливают на прежнее место или проявляют в месте экспонирования, при этом исследуемый объект (транзистор) 7, подвергаемый тепловой нагрузке, освещают тем же световым пучком и сквозь голограмму наблюдают в реальном масштабе времени получаемые картины полос интерференции.
При работе по методу двух экспозиций во время первой засветки коллимированный пучок от лазера 1 и коллиматора 2 направляется через фотопластину 5 и ПОС 6 на исследуемый объект (транзистор) 7. Пройдя фотопластину и ПОС, пучок лучей распространяясь по нормали к фотопластине 5, освещает по нормали поверхность объекта (транзистора) 7. После отражения от поверхности объекта 7 пучок лучей попадает обратно на фотопластину 5, в слое эмульсии которой взаимодействует с пучком лучей от лазера 1, фиксируя тем самым начальное состояние объекта 7 на фотопластине 5 в виде голограммы во встречных пучках - голограммы Денисюка.
Между экспозициями на объект 7 подаются питающие напряжения и вновь на той же фотопластинке 5 регистрируется состояние уже нагруженного объекта 7. При восстановлении полученной таким образом голограммы два волновых фронта восстановленного изображения объекта 7 интерферируют друг с другом, образуя голографическую интерферограмму, представляющую собой при фотографировании развертку всей освещенной поверхности объекта 7 в плоскости фотопластинки 5, промодулированной интерференционными полосами.
При работе по методу реального времени после первой экспозиции фотопластину 5, не снимая с места крепления, проявляют, получая таким образом голограмму начального состояния объекта 7. Затем объект 7 нагружают посредством теплового воздействия и через полученную голограмму наблюдают интерференцию волнового фронта, отраженного от деформированного объекта 7 с волновым фронтом, восстановленным с голограммы. Изменяющиеся во времени интерференционные картины записываются с помощью цифрового фотоаппарата, что позволяет изучить в динамике изменение состояния объекта 7, зарегистрированного с помощью описываемого голографического интерферометра.
Предложенный высокочувствительный голографический интерферометр позволяет измерять деформации и напряжения, возникающие при воздействии тепловых деформаций в процессе работы в ответственных конструкционных элементах изделий твердотельной электроники, с использованием контактного способа регистрации голограмм по схеме Ю.Н.Денисюка. Применение для стабилизации положения голограммы относительно поверхности исследуемого объекта и создания интерференционных преобразователей с промежуточной оптической средой (ПОС) в виде периодической структуры различной конфигурации позволило существенно уменьшить влияние вибраций и перемещений элементов исследуемого объекта на фотопластину за счет пластической деформации столбиков или сетки, или гребней, расположенных между исследуемым объектом и фотопластиной. Соединение последних между собой в этом случае является «островковым», что значительно уменьшает термомеханические напряжения, возникающие из-за разницы коэффициентов термического расширения нагретого исследуемого объекта и фотопластины. Увеличение высоты столбиков, сетки или гребней приводит к дальнейшему снижению влияния перемещений элементов исследуемого объекта на фотопластину и уменьшает влияние ПОС на погрешность измерения набега фаз, обусловленной деформациями поверхности объекта. Все это в совокупности повышает точность измерения деформаций поверхности элементов твердотельной электроники.
Закрепление голограммы с использованием ПОС в виде периодической структуры образует оптический преобразователь, в котором исключен фазовый набег при перемещении голограммы относительно лазерного источника света, на голограмме регистрируется информация только о деформационных перемещениях исследуемого объекта, увеличивается чувствительность интерферометра к измерению внутриплоскостных перемещений, что существенно повышает точность измерения перемещений. Это расширило диапазон измеряемых деформаций и позволило применить предложенную конструкцию контактного голографического интерферометра с использованием ПОС в виде периодической структуры для теплонагруженных изделий твердотельной электроники в производственных условиях.