Оптический профилометр на базе микроинтерферометра МИИ-4 и его калибровка

УДК 681.17.18

В.П. Корольков, Р.В. Шиманский, Р.К. Насыров

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск

А.С. Конченко

Новосибирский государственный университет, Новосибирск

ОПТИЧЕСКИЙ ПРОФИЛОМЕТР НА БАЗЕ МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТРА МИИ-4 И ЕГО КАЛИБРОВКА

Статья описывает результаты разработки оптического профилометра на базе микроскопа-интерферометра МИИ-4. Разработанный прибор имеет диапазон измерения +100 микрометров с разрешением 5 нм. Предложен альтернативный метод измерения глубины бинарных решеток для калибровки профилометра. Он основан на измерении спектральной зависимости дифракционной эффективности в нулевом порядке дифракции на отражение.

V.P. Korolkov, R.V. Shimansky, R.K. Nasyrov Institute of Automation and electrometry SB RAS A.S. Konchenko Novosibirsk State University

OPTICAL PROFILOMETER ON THE BASE OF MICROINTERFEROMETER MII-4 AND ITS CALIBRATION

The paper describes the results of development of optical profilometer on the base of microscope-interferometer MII-4. Developed device has measurement range of up to +-100 micron with resolution of 5 nm. Alternative method for measurement of profile depth of binary gratings used for calibration of profilometers has been offered. It is based on measurement of spectral dependence of diffraction efficiency in zero order in reflection.

Рис. 1. Модернизированный МИИ-4М с датчиком перемещения

Внедрение современных технологий микрообработки в производство требует контролировать точность формирования микрорельефа на различных

этапах технологического процесса. Однако профилометры с нанометровым разрешением весьма сложны и дороги для применения в цехах или в учебном процессе. В России серийно выпускаются только два профилометрических прибора - контактный профилометр АБРИС-ПМ7, предназначенный для машиностроительных задач, и микроинтерферометр МИИ-4, выпускаемый ЛОМО (Санкт-Петербург) несколько десятков лет. Последний прибор морально устарел, так как не снабжается видеокамерой и средствами компьютерной обработки результатов измерения. Данный прибор может быть относительно легко модернизирован путем установки цифровой камеры вместо окуляра и автоматизации процесса регистрации и компьютерной обработки интерферограмм. Однако практика использования микроскопа, модернизированного таким образом, показала нежелательность механического переключения спектральных фильтров. Поэтому мы разработали программноаппаратный комплект для модернизации стандартного МИИ-4 с программным управлением источниками освещения и минимальными изменениями базовой конструкции1. Вместо штатного лампового осветителя устанавливается осветитель на двух (белом и квазимонохроматическом) сверхярких светодиодах. Необходимое освещение может быть выбрано с помощью электронного блока управления, подключаемого непосредственно к компьютеру по USB-порту. Для получения изображения на место окуляра устанавливается цветная цифровая USB-камера. Профилограмма строится на основе отслеживания ахроматической полосы и определения количества пикселов в периоде квазимонохроматической интерферограммы в заданном секторе кадра. Диапазон измерения составляет ±2 мкм с нанометровым разрешением.

Для пользователей, нуждающихся в более широком диапазоне, в оптический блок интерферометра встраивается датчик линейного перемещения объектива микроскопа с выводом информации по USB-порту. Наличие этого датчика и соответствующих опций в программном обеспечении позволяет реализовать многофокусный режим измерения глубины с диапазоном не менее ±100 мкм и разрешением 5 нм. Рис. 2 демонстрирует пример измерения толщины пленки толщиной 42 мкм наклеенной на стеклянную подложку.

Калибровка прибора. Важным вопросом применения профилометров является обеспечение точности измерений. В этой связи нам необходимо учитывать, что микроинтерферометру Линника свойственна систематическая ошибка, возникающая из-за того что период полос не равен половине длины

л

волны . Для объектива с апертурой 0.5-0.7 период полос может быть на 2-15% больше чем половина длины волны. Типичный путь решения данной проблемы - калибровка по сертифицированному стандарту глубины. Однако стоимость таких структур сравнима со стоимостью нашего комплекта для модернизации МИИ-4 в минимальной конфигурации. Поэтому мы снабжаем наш прибор калибровочными бинарными решетками собственного изготовления, сертифицируемыми по разработанной нами новой методике. Достоинством, которой является то, что пользователь достаточно легко может проверить наши данные, используя практически любой современный спектрофотометр.

Предлагаемый способ сертификации основан на использовании спектральных свойств бинарных решеток с глубиной в несколько длин волн. При изменении волнового числа падающего на решетку света интенсивность нулевого отраженного порядка дифракции изменяется циклически (рис. 3). Зная положение максимумов интенсивности в спектре, измеренном на отражение, можно определить глубину решетки следующим образом. Оптическую разность хода А/ лучей, отраженных от поверхности выступов и канавок, можно выразить через высоту профиля решетки Н и угол падения света а по формуле АI - 2// cos С' ,. Тогда интенсивность отраженного света в нулевом порядке дифракции будет иметь локальные максимумы при волновых числах кт=1//1т падающего света, удовлетворяющих равенству кт = т  cos ? где т - количество длин волн Л„ь укладывающихся в

разности оптических путей. Вычисляя разности волновых чисел соседних максимумов, можно определить глубину рельефа как Н = ] - кт).

Усреднение по нескольким парам максимумов повышает точность определения глубины.

в) г)

Рис. 2. Измерение глубокого рельефа: а и б - соответственно, отслеживание интерферограммы в первом фокусе и профиль построенный по ней; в - отслеживание интерферограммы во втором

фокусе; г - профилограмма полученная объединением результатов отслеживания ахроматической полосы по двух интерферограмм

0.8

О 0.6 §

< 0.4

0.2

Г 1 м 1 1 V > 1 ЗС 1 1 г ; ; А А \

1 11 '/ 1 и г Н Й й У II 1

[ 1 II у V Чь , 1 1 I II 1 / \ / V / \

1; !

ЦП 11 II ш ?! ?! У У V V У V У

9000

14000

19000 к, 1/ст

24000

29000

Рис. 3. Спектральная зависимость нормализованной (на максимум) дифракционной эффективности КОБО в нулевом порядке отражательной

решетки:

1 - расчетный спектр для решетки глубиной 2.543 мкм при угле падения 8°. 2 -экспериментально измеренный спектр для тестовой решетки с периодом 20 мкм

Влияние наклона стенок штрихов решетки. Было проведено моделирование дифракционной эффективности отражательной решетки с периодом 10 мкм и глубиной 2.4 мкм в нулевом порядке дифракции (рис. 4). Угол наклона боковых сторон штрихов изменялся от 90 до 50 градусов. При углах, больших 70° максимальная погрешность измерения глубины составляет не более 0.5% и является приемлемой. Но при угле 60° погрешность достигает 1.5%. Таким образом, изотропное жидкостное и плазмохимическое травление не может использоваться для изготовления калибровочных решеток, измеряемых предлагаемым методом.

Тестирование

проведения

использовался

спектрофотометр

Рис. 4. Расчетная спектральная зависимость дифракционной эффективности ЫОБО в нулевом порядке отражательной решетки при различных углах наклона стенок канавок решетки с глубиной 2.4 мкм и периодом 10 мкм

Влияние ошибок

спектрофотометра. Для

спектрофотометров простого

экономичного уровня типа иМСО 2800 ошибка установки длины волны достигает 0.8 нм в диапазоне 200-1100 нм. Но даже при такой ошибке вклад спектрофотометра в погрешность измерения не превысит 0.4%. При использовании спектрофотометра более высокого класса эта погрешность может снизиться до 0.1%.

метода. Для экспериментов одноканальный и№С0-2800, в

отражения на спектрофотометре иМС0-2800

который была установлена система зеркал (рис. 5).

Угол наклона падающего на образец света был равен 8°.

Погрешность определения угла составила 0.5°, и соответственно, вклад этой ошибки в итоговый результат составил около 0.13%.

Угол наклона стенок канавок тестируемой решетки составлял не менее 80 градусов. Измеренный нормализованный спектр отражения решетки с выделением первого порядка показан на рис. 3 (график 2). Падение диапазона модуляции с увеличением волнового числа объясняется уменьшением угла дифракции и попадания части световых потоков +1 и -1 порядков в окно диафрагмы.

Рассчитанное по предлагаемому методу значение глубины изготовленной нами тестовой решетки составило 2.543 мкм при среднеквадратичном отклонением от этой величины 1.9нм. Измерение этой же решетки на модернизированном МИИ-4 дало значение глубины 2.499 мкм с воспроизводимостью ±7 нм.

Заключение. Представлены результаты модернизации

микроинтерферометра МИИ-4, позволяющей расширить диапазон измерения глубины микрорельефа до +100 мкм. Разработан метод спектрофотометрический метод измерения глубины бинарных отражающих решеток удобный для выпуска недорогих калибровочных решеток, необходимых для поверки профилометров.

Общий бюджет ошибок предложенного метода состоит из двух основных компонент - смещения максимумов спектра из-за наклона стенок штрихов решетки и ошибки задания длины волны спектрофотометра. В итоге суммарная погрешность метода не превышает 1%.

Представленный метод применим для решеток с диапазоном глубин от 400нм до 10мкм при отношении глубины к периоду на уровне 1:5 - 1:10, где ограничение снизу вызвано минимальной длиной волны спектрофотометра, а сверху определяется технологией изготовления решеток. При измерениях в диапазоне длин волн от 300 нм до 1 мкм, период решетки не должен превышать 25 мкм, что вызвано необходимостью разделения порядков дифракции в спектрофотометре.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. В.П. Корольков, С. Остапенко, Р.В. Шиманский, Д.Э. Денк. «Оптические микропрофилометры для контроля дифракционного микрорельефа». Сборник трудов 4-го международного форума “Голография ЭКСПО -2007” (25-27 сентября 2007 г., Москва), с. 89-92.

2. K. Creath «Calibration of numerical aperture effects in interferometric microscope objectives”, Appl. Opt., Vol. 28, No. 15, 1989, pp. 3333-3338.

© В.П. Корольков, А.С. Конченко, Р.В. Шиманский, Р.К. Насыров, 2010