Установка для измерения микрорельефа поверхности с использованием метода фазовых шагов
INSTALLATION FOR MEASUREMENT OF MICRORELIEF USING PHASE STEP METHOD

Устройство относится к области оптико-электронных измерительных приборов. Оно предназначено для получения информации о двумерном распределении высот микрорельефа поверхностей, которые применяются в оптическом приборостроении, микроэлектронике и материаловедении.
Устройство представляет собой интерференционный микроскоп с двумерным фотоприемником и фазосдвигающим блоком. Фазосдвигающий блок представляет собой узел, расположенный в референтном оптическом канале интерференционного микроскопа по схеме Линника, содержащий гладкое (моноатомное) зеркало с шероховатостью Ra=0,05 нм, микрообъектив и систему микрометрического и нанометрического перемещения, управляемую от ПК. Зеркало находится в передней фокальной плоскости микрообъектива. Система перемещения перемещает зеркало и микрообъектив как единое целое. Полученные фазовые сдвиги используются для реконструкции по методу фазовых шагов (James С. Wyant, Phase-Shifting Interferometry. 2001. - 39 с.).
Такое устройство может использоваться для получения информации о шероховатости субнанометрового диапазона. Например, в оптической профилометрии и интерференционной микроскопии, для изучения живых клеток, исследования оптических элементов.
Известен интерференционный микроскоп МИИ-4М (Россия) - который является микроскопом по схеме Линника (Коломийцов Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение. Л., «Машиностроение», 1976, 196 с.) (Линник В.П. Прибор для интерференционного исследования отражающих объектов под микроскопом ("микроинтерферометр"). - ДАН СССР, 1933, №1, с. 18-23).
В плоскости фотоприемника данного микроскопа интерферируют два волновых фронта, которые формируют изображения объекта и опорного зеркала. Таким образом, в данной интерференционной схеме вместо истинного профиля поверхности объекта всегда восстанавливается разностная картина, в которую входит профиль поверхности опорного зеркала. В результате чего аберрации оптической схемы и шероховатость опорного зеркала искажают волновой фронт, внося тем самым систематическую составляющую ошибки измерения.
Недостатком данного прибора является наличие несъемных микрообъективов в конструкции интерферометра. Так как микрообъективы определяют числовую апертуру, которая напрямую влияет на разрешающую способность, данный микроскоп имеет фиксированное увеличение.
В данном устройстве микрообъектив и зеркало в референтном канале совмещены в единую сборку, однако, данная сборка не имеет возможности перемещения, и с помощью данного устройство невозможно реализовать метод фазовых шагов.
Данный прибор не автоматизирован. Расшифровка интерференционных изображений осуществляется визуально.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является автоматизированный интерференционный микроскоп МИА-1М (Россия) (Минаев В.Л. Интерференционный микроскоп для измерения формы поверхности в микро и нанодиапазонах // Метрология - 2012 - №7 - С. 19-24.). Недостатком данного прибора является использование в составе источника монохромного излучения (лазера). Дифракция когерентного света на краях апертуры и любых неоднородностях оптических элементов, многократные переотражения света от оптических поверхностей различных элементов - все это ведет к появлению паразитных интерференционных полос и спекл-структуры, искажающих результирующее изображение.
Изменения оптической разности хода в микроскопе между референтным и объектным пучками происходит путем смещения только опорного зеркала, расположенного перед микрообъективом, которое приводит к небольшой дефокусировке изображения зеркала референтного канала и изменению контраста полос, что увеличивает ошибку реконструкции.
Подвижной частью в микроскопе является сама конструкция интерферометра (консоль интерферометра). Таким образом, при длительных измерениях массивная консоль может перемещаться вдоль вертикальной оси интерферометра под собственным весом при этом будет теряться фокусировка. Данный факт отрицательно сказывается на стабильности измерений, особенно на измерениях, которые проводятся на продолжительном промежутке времени.
В конструкции микроскопа используются несъемные микрообъективы, по этой причине устройство обладает недостатками аналогичными МИИ-4М.
Кроме того, в качестве опорного зеркала используется зеркало шероховатость которой составляет Ra=0,8 нм, что не позволяет исследовать на данном микроскопе поверхности с более «гладкими» поверхностями. Так как поверхность опорного зеркала неидеальная, то его дефекты (царапины, пылинки) и микрорельеф зеркала будет по-разному выглядеть в плоскости регистратора. Это ведет к дополнительной амплитудной модуляции и изменению кривизны волнового фронта референтного канала, что недопустимо, так как это вносит вклад в измеряемую шероховатость поверхности объекта.
Заявляемое изобретение было разработано как результат решения задачи повышения точности и стабильности определения высоты микрорельефа, а также расширение диапазона измерений в латеральной плоскости.
Это достигается тем, что интерферометр (фиг. 1) имеет оптическую схему Линника и содержит, двумерный фотоприемник 1 и фазосдвигающий блок 2, включающий опорное зеркало с моноатомной поверхностью 3 и сменный микрообъектив 4 в едином подвижном узле, перемещаемом с помощью микроподачи и пьезоподачи 5. В состав микроскопа входят осветитель 6 на основе точечного светодиода и схема управления 7. Интерферометр 8, выполненный по схеме Линника и установленный на виброзащитной опоре, содержит светоделитель 9 и два сменных микрообъектива 4 и 10. Для настройки микроскопа используется эталонная плоскость 11, которая располагается в объектном канале интерферометра и представляет из себя моноатомную поверхность. Управление работой фазосдвигающего блока и осветителя осуществляется с помощью ПК 12.
Осветитель 6 представляет собой светодиод и оптическую схему, формирующую точечный источник света. Возможно использование светодиода с малой излучающей площадкой, т.н. точечного источника (point source led) без дополнительной оптической схемы.
Такой источник позволяет обеспечить высокую степень пространственной когерентности излучения, но при этом степень временной когерентности остается низкой, поскольку спектр подобных источников достаточно широкий. В результате данное решение позволяет убрать спекл-структуры в интерферограммах, что в свою очередь, снижает количество фазовых шумов.
Для повышения точности измерения поверхностей с низкой шероховатостью предлагается использовать моноатомную поверхность в качестве опорного зеркала. Например, использовать нанострукутру кремния (Способ формирования плоской гладкой поверхности твердотельного материала. Сотников С.В., Косолобов С.С., Щеглов Д.В., Латышев А.В. // Патент на изобретение (Россия) №2453876 от 20.06.2012, Бюл. №17.), имеющую большой поперечный размер и шероховатость в субнанометровом диапазоне высот порядка Ra=0,05 нм.
Для повышения стабильности измерений во времени схема интерферометра жестко закреплена. Подвижной частью прибора, обеспечивающим фокусировку на исследуемый объект, является предметный столик. Во время измерений столик может быть дополнительно фиксирован.
Для компенсации аберраций оптической системы интерферометра перед проведением измерения записывается профиль эталонного гладкого зеркала, который в дальнейшем вычитается из полученных данных. В качестве эталонного зеркала можно использовать моноатомную поверхность с наноструктурой кремния (Способ формирования плоской гладкой поверхности твердотельного материала. Сотников С.В., Косолобов С.С., Щеглов Д.В., Латышев А.В. // Патент на изобретение (Россия) №2453876 от 20.06.2012, Бюл. №17.).
Для компенсации дефокусировки изображения опорного зеркала и увеличения контраста полос предлагается сдвигать зеркало и микрообъектив в единой сборке.
Фиг. 2 показывает исходное состояние референтного канала интерферометра без сдвига. Для осуществления фазового сдвига предлагается перемещать микрообъектив 4 вместе с опорным зеркалом 3. На оптической схеме фиг. 2 также присутствует проекционный объектив 13, который вместе с микрообъективом образует афокальную телескопическую систему, и плоскость регистратора 14. На фиг. 3 показано перемещение только опорного зеркала, цифрой 15 отмечена плоскость, в которой формируется изображение. На фиг. 4 иллюстрировано перемещение единой сборки микрообъектива с зеркалом. Так как микрообъектив и опорное зеркало объединены в единый закрытый узел, это позволяет избежать дефокусировки опорного зеркала и повысить точность измерения. При настройке микроскопа для грубого перемещения этого узла используется микрометрическая подача. При проведении измерений узел перемещается с помощью пьезопривода.
Применение съемных объективов в конструкции установки позволяет расширить диапазон измерений в латеральной плоскости.
Для уменьшения фотометрических шумов при проведении измерений используется накопление интерференционных изображений с последующим усреднением. Для уменьшения фазовых шумов используется усреднение по измерениям.
Таким образом, предложенное устройство позволяет получить значения высоты профиля и шероховатости профиля в субнанометровом диапазоне с большей точностью, а также расширить диапазон измерений и повысить стабильность показаний при длительных измерениях.