СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМ МЕТОДОМ
INTERFERENTIAL METHOD OF MEASUREMENT OF SURFACE MICRORELIEF ALTITUDE

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим способам измерения высоты микрорельефа поверхностей интерференционным методом.
Из уровня техники хорошо известны технические решения аналогичного характера.
Так из уровня техники известен способ определения микрорельефа объекта и оптических свойств приповерхностного слоя, а также модуляционный интерференционный микроскоп для осуществления данного способа. Изобретение позволяет увеличить пространственное разрешение при определении геометрических параметров рельефа и распределения материальных оптических констант, расширить число определяемых констант, включая константы оптической анизотропии, значительно увеличить точность определения материальных констант, а также расширить круг исследуемых объектов, см., например, описание патента РФ №2181498, G02B 21/00, 2002.
Так же известно устройство для исследований микрорельефа поверхностей, содержащее горизонтальный стол с установленным на нем ложементом для укладки и позиционирования измеряемого объекта, средство для съема информации и блок анализа и представления информации. Для съема информации в устройстве используют оптоэлектронную головку, включающую в себя источник лазерного излучения и оптически сопряженную с ним через измеряемый объект интегральную многоэлементную фотоматрицу, выход которой соединен со входом электронного блока первичной обработки сигнала, выход которого соединен с блоком анализа и представления информации, в качестве которого использована ПЭВМ. Горизонтальный стол выполнен с возможностью перемещения по координатам горизонтальной плоскости (X, Y), снабжен электроприводами и датчиками линейных перемещений по осям Х и Y, выходы которых соединены с электронным блоком первичной обработки сигнала, см., например, описание заявки РФ №97113784, G01B 1/00, 1999.
Кроме того, известным является способ дифференциально-фазовой профилометрии и/или профилографии, описанный в патенте РФ №2179328, G02B 21/00, G01B 11/30, 2002. Способ заключается в том, что предварительно сканируют световым пучком эталонную поверхность, а затем по тем же траекториям сканируют исследуемую поверхность. При этом последовательно сканируют исследуемую и эталонную поверхности двумя световыми пучками, разделенными на два параксиальных луча. Один из лучей сдвигают относительно другого по частоте и в пространстве. Данные о разности фаз отраженных лучей корректируют на основе данных о разности фаз отраженных лучей и о проинтегрированных по траекториям сканирования данных для эталонной поверхности. Устройство включает в себя два акустооптических дефлектора, два генератора управляющих сигналов для каждого акустооптического дефлектора с общим генератором опорной частоты и блок обработки данных. Изобретение позволяет повысить точность построения изображения исследуемой поверхности и точность определения параметров профиля исследуемой поверхности, а также обеспечить возможность исследования поверхностей объектов произвольной формы.
К недостаткам измерителей высоты микрорельефа, построенных на принципе интерферометра любого из известных типов, следует отнести сложность одновременного соблюдения требований к точности и однозначности измерений высоты микрорельефа с резким перепадом высот.
Для решения указанной проблемы, как правило, используют априорную информацию или предположение об отсутствии резких перепадов микрорельефа.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности и однозначности измерений высоты микрорельефа с резким перепадом высот на основе использования одночастотного лазерного интерферометра.
Независимо от вида обработки входного сигнала (метода оценки разности фаз в различных интерферометрах) выходным параметром является гармоническая функция абсолютной фазы:
где h - высота микрорельефа,
λ - длина волны.
При этом связь между значением абсолютной фазы и ее оценкой задается неоднозначной функцией. В случае отсутствия скачков высоты микрорельефа необходима развертка фазы, так как ее оценочное значение изменяется в пределах от 0 до π. Если же в области обзора присутствуют резкие скачки высоты микрорельефа, такие что измерение абсолютной фазы соответствует целому числу интервалов однозначности, необходимо решение задачи неоднозначной оценки абсолютной фазы и, соответственно, высоты.
Соотношение между разностью фаз опорного и отраженного сигналов ΔФ и высотой микрорельефа Δh можно записать в виде:
где α и β - углы между нормалью к поверхности и направлением освещения поверхности и наблюдения микрорельефа.
Разделим ошибки оценки абсолютной фазы на нормальные и аномальные.
Воспользовавшись формулой (2), получим соотношение между дисперсией высоты  и дисперсией фазы :
Очевидно, что чем меньше длина волны λ, тем меньше дисперсия ошибок измерения высоты микрорельефа.
Однако при этом надо учитывать, что связь между абсолютной фазой функции (и, соответственно, между высотой микрорельефа поверхности) и ее оценкой задается неоднозначной функцией. Это может явиться причиной появления аномальных ошибок оценки абсолютной фазы и, соответственно, высоты микрорельефа. Этот факт можно записать следующим образом:
где i - произвольное целое число.
Решение задачи однозначной оценки фазы можно интерпретировать как задачу оценки числа i в последнем выражении.
Интервал однозначного решения задачи измерения фазы зависит от параметров интерферометрической системы, в частности от рабочей частоты. Уменьшая рабочую частоту (увеличивая длину волны), повышают интервал однозначного определения фазы.
Однако при этом необходимо отметить, что при увеличении интервала однозначного определения абсолютной фазы и, соответственно, высоты микрорельефа ухудшается точность оценок разности фаз в интерферометрической системе. Таким образом, интервал однозначного определения и точность измерения высоты микрорельефа находятся в противоречии, решить которое в одночастотном интерферометре при отсутствии априорной информации не удается.
Из радиотехники известен способ решения таких задач путем использования многочастотных интерферометров.
В этом случае длинноволновый интерферометр решает задачу увеличения области однозначности измерения фазы, а генератор с меньшей длиной волны - задачу обеспечения требуемой точности ее измерения.
В рассматриваемом изобретении указанная задача решается на основе использования в качестве «длинноволнового» генератора когерентного излучения зондирующего лазера, в качестве «коротковолнового» - эффект генерации отраженной гигантской второй гармоники (ГВГ), характерный для нелинейно-оптических поверхностей [1, 2]. Такая нелинейно-оптическая поверхность для полупроводников и металлов может быть получена путем электрохимического травления материала исследуемой поверхности до уровня образования шероховатостей наноразмерного уровня, а в общем случае - покрытием исследуемой поверхности слоем частиц металла или полупроводника наноразмерного уровня.
-9
В этом случае погрешность, вносимая в измерение высоты микрорельефа, не превысит глубины травления или размеров этих частиц, то есть величины порядка нескольких единиц нанометра (~2÷5·10 м).
Явление генерации отраженной второй гармоники (далее - ВГ) состоит в появлении электромагнитного излучения на удвоенной частоте при отражении лазерного излучения от поверхности нелинейной среды.
В принципе, появление новых спектральных компонент (например, гармоник, суммарных и разностных частот) при взаимодействии света с веществом можно понять из модели нелинейно-оптической среды, которая обладает диэлектрической проницаемостью ε(Е), зависящей от напряженности электрического поля Е световой волны.
Тогда электрическое смещение
L
NL
D(E)=ε(Е)Е=1+4π(P+P(E))
NL
становится нелинейной функцией поля и содержит в качестве слагаемого нелинейную поляризацию P(E).
L
(1)
(1)
NL
(n)
По аналогии с линейной поляризацией (дипольным моментом единицы объема) P=χЕ, где χ по определению, линейная восприимчивость вещества, нелинейная поляризация P(Е) может быть представлена в виде ряда по степеням поля с нелинейными восприимчивостями n-го порядка χ в качестве коэффициентов этого ряда:
0e
0
-iωt+ikr
(2)
NL
(2)
2
-i2ωt+i2kr
Можно видеть, что первый член в разложении (1), квадратично зависящий от напряженности поля световой волны, будет источником излучения на удвоенной частоте. Действительно, при распространении плоской монохроматической световой волны E(r,t)=E  в нелинейной среде, обладающей нелинейной восприимчивостью второго порядка χ, будет возбуждаться волна поляризации (дипольного момента) P(2ω)=χE e на частоте 2ω, которая и будет источником светового излучения ВГ [1, 2].
Особый интерес к явлению генерации отраженной ВГ связан с уникальной поверхностной селективностью и чувствительностью этого нелинейно-оптического процесса.
Высокая чувствительность отраженной ВГ к морфологическим свойствам поверхности связана со строгими поляризационными правилами отбора, запрещающими генерацию s-поляризованной волны ВГ для s-поляризованной волны накачки на гладкой однородной изотропной поверхности.
Поляризация световых волн называется s-поляризацией, когда вектор электрического поля волны направлен перпендикулярно плоскости падения (плоскости, проходящей через нормаль к поверхности и волновой вектор световой волны). Это поляризационное правило отбора, называемое s,s-запретом, нарушается для шероховатых поверхностей металлов и полупроводников.
Экспериментальные исследования нарушений s,s-запрета при генерации ВГ на «шероховатой» поверхности серебра позволили обнаружить эффект генерации отраженной «гигантской» ВГ (ГВГ) [1, 2].
Термин «гигантская» используется физиками с целью подчеркнуть, что генерируемая такой шероховатой поверхностью ВГ превосходит по интенсивности разрешенную ВГ на гладкой поверхности на несколько порядков. Такое усиление связано с возбуждением в шариках металла или полупроводника, расположенных на поверхности образца, под действием света накачки коллективных дипольных колебаний электронов. Электрическое поле таких дипольных возбуждений усиливает внутренние (как еще говорят, локальные) поля на порядки, вызывая гигантские нелинейно-оптические эффекты.
Указанные выше экспериментальные исследования были проведены при нанесении шероховатости на гладкую поверхность серебра с характерным размером неоднородности порядка 1 нм.
Для того чтобы определить характер шероховатости, возникающей при столь малых количествах вещества, одновременно с исследованием генерации ВГ были получены изображения поверхности в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) до и после процесса электрохимического травления. Анализ изображений поверхности, полученных с использованием СТМ, показал, что образовавшаяся шероховатость представляет собой редкие группы шариков серебра с характерными размерами 2-3 нм. Именно эти поверхностные образования являются источниками наблюдаемой ГВГ [1, 2].
ω,2ω
На фиг.1 приведена типовая оптическая схема эксперимента по наблюдению и исследованию процесса генерации отраженной ВГ. Основные наименования элементов типовой оптической схемы приведены там же. Е - напряженность электрического поля световой волны на частоте зондирующего лазера и частоте второй гармоники.
2ω
Подобные установки, по своему назначению, позволяют изучать параметры излучения ВГ, генерируемой поверхностным слоем исследуемого материала, такие как спектр интенсивности ВГ - зависимость интенсивности от частоты возбуждающего света ω; азимутальная анизотропия интенсивности ВГ - зависимость интенсивности от угла φ поворота образца относительно нормали к поверхности; поляризация и фаза волны ВГ; диаграмма направленности излучения отраженной волны - зависимость интенсивности от полярного угла наблюдения θ и т.д., несут информацию о структурных, морфологических и электронных свойствах поверхности или границы раздела [1, 2].
Таким образом, придание поверхности нелинейно-оптических свойств позволяет при зондировании ее когерентным лазерным излучением с частотой ω получать генерацию отраженной ГВГ.
Ниже приводится описание графических материалов, никоим образом не ограничивающих все возможные варианты осуществления заявленного изобретения.
На фиг.2 представлена блок-схема устройства для сканирования микрорельефа изображения. Далее приведена нумерация блоков устройства, их наименование и используемые по тексту сокращения:
1 - зондирующий лазер (ЗЛ),
2 - лазерное пятно (ЛП) ЗЛ,
3.1- 3.5 - оптические линзы (ОЛ),
4 - узкополосный оптический фильтр (УОФ),
5 - светоделитель (СД),
6 - полупрозрачное зеркало (ПЗ),
7 - эталонный образец (ЭО),
8.1, 8.2 - фоторегистрирующие устройства (ФРУ1 и ФРУ2) для регистрации интерференции излучений на частотах ω и 2ω соответственно,
9 - микрорельеф поверхности (МРП),
10 - электронно-вычислительное устройство (ЭВУ),
11 - монитор ЭВУ (МЭВУ),
12 - электромеханическое устройство (ЭМУ),
13 - устройство сканирования микрорельефа,
14 - оптический поляризатор (ОП),
ω, 2ω - частота излучения ЗЛ и ГВГ соответственно,
α - угол освещения микрорельефа,
β - угол наблюдения сигнала частоты ω,
γ - угол наблюдения сигнала частоты 2ω.
При конструировании оптической схемы устройства обеспечивается такое взаиморасположение оптических элементов схемы (ОЛ3.1-ОЛ3.4, П (14), α, β, γ и др.), при которых обеспечивается максимум интенсивности ГВГ микрорельефа и ГВГ эталонного образца.
Ниже приводится пример осуществления изобретения, никоим образом не ограничивающий все возможные варианты его реализации.
Для получения эталонного сигнала часть поляризованного с применением ОП(14) излучения ЗЛ (1) с помощью СД (5) через ПЗ (6) направляют на ЭО (7), поверхность которого покрыта металлическими или полупроводниковыми частицами наноразмерного уровня, размер и материал которых идентичен частицам, используемым для покрытия микрорельефа.
Перемещая ЛП (2) вдоль поверхности с микрорельефом, например, по принципу построчного сканирования, на основании обработки интерференционных картин на входах ФЭУ1 (8.1) и ФЭУ2 (8.2) вычисляют искомые высоты микрорельефа, привязанные к координатам, определяемым ЭМУ (16), и сохраняют их значения в ЭВУ (14). При наличии в структуре микрорельефа резких изменений высот, превышающих область однозначности измерений на частоте ГВГ, информация корректируется на основании измерений интерференционного контура на частоте зондирующего лазера, область однозначности которого вдвое превышает область однозначности на частоте ГВГ.
По окончании сканирования микрорельефа поверхности на экран МЭВУ (15) в цифровой или графической форме могут быть выведены как вертикальные сечения, так и равновысотные контура микрорельефа, а при многократном сканировании - исследованы процессы изменения микрорельефа во времени.
В качестве фоторегистрирующих устройств ФРУ1 (8.1) и ФРУ 2 (8.2) могут быть использованы фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) или приборы с зарядовой связью (ПЗС).
Частотную избирательность ФЭУ (8.2) на частоте ГВГ обеспечивает УОФ (4), в качестве которого может быть использован, например, дифракционный оптический фильтр.
Оптические линзы (3.1-3.5) и ОП (14) особенностей не имеют.
Частицы наноразмерного уровня могут быть получены, например, путем механического измельчения вещества, из которого они создаются. Существующие технологии создания наноуровневых структур уже сегодня позволяют создавать частицы наноразмерного уровня заданного размера, а так же покрывать ими поверхность с контролируемым значением слоев и плотности частиц на единицу площади поверхности.
Таким образом, предлагаемый способ измерения высоты микрорельефа поверхности может быть реализован с использованием современных технологий, в том числе нанотехнологий, и существующего электронного, оптического и электромеханического оборудования.
По отношению к оптическим методам исследования микрорельефа на основе одночастотного интерферометра предложенный способ обладает лучшей точностью за счет использования ГВГ, источником которой является искусственно созданная оптическая нелинейность поверхности исследуемого микрорельефа.
Источники
1. Акципетров О.А. Нелинейная оптика поверхности металлов и полупроводников. Соросовский образовательный журнал, том 6, №12, 2000.
2. Акципетров О.А. Гигантские нелинейно-оптические явления на поверхности металлов. Соросовский образовательный журнал, том 7, №7, 2001.