УСТАНОВКА КОНТРОЛЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ И ВЗАИМОСВЯЗИ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ФОТОПРИЕМНИКА ИК-ДИАПАЗОНА СПЕКТРА

Заявляемая полезная модель установки относится к измерительному оборудованию, предназначенному для измерения параметров фотоприемников (ФП) инфракрасного диапазона спектра от 2 до 14 мкм, и может применяться для измерения фоточувствительных размеров и коэффициента взаимосвязи фоточувствительных элементов (ФЧЭ) многоэлементного фотоприемника инфракрасного (ИК) диапазона спектра. Установка может использоваться при исследованиях, настройке, контроле ИК-фотоприемников, используемых в тепловидении высокого разрешения, медицине, научных исследованиях.
Известен электронно-лучевой метод измерения размеров p-n переходов [1], когда сфокусированный пучок электронов (электронный луч) диаметром ~10 нм перемещается вдоль поверхности полупроводниковой пластины, каждая точка перемещения электронного пучка обычно отображается на экране электронного микроскопа. Достоинством данного метода является высокое разрешение - 10 нм. Недостатки данного метода заключаются в том, что:
- контроль можно проводить только для полупроводниковых пластин, а не готового изделия (матричный фотоприемник в корпусе с системой охлаждения);
- электронно-лучевое оборудование относится к дорогостоящим видам оборудования и требует специально обученного персонала и специально приспособленных помещений для эксплуатации.
Наиболее близким аналогом данной установки является установка для измерения коэффициента фотоэлектрической связи К167.410 [2], принятая в качестве прототипа.
Известная установка содержит источник ИК-излучения на спектральный диапазон 2-14 мкм, с глобаром, конденсором, механическим модулятором и блоком оптических щелей с плавной регулировкой; фокусирующую систему с поворотным зеркалом и зеркальным объективом с механизмом фокусировки для формирования оптического зонда в плоскости расположения фоточувствительного элемента ФП, узел позиционирования ФП с двухкоординатным столиком и микрометрическими винтами.
Недостатком этой установки является неподвижный источник излучения, относительно которого перемещается закрепленный на узле позиционирования ФП. Узел позиционирования представляет собой двухкоординатный столик с микрометрическими винтами. Погрешность перемещения координатного столика определяется погрешностью микрометрических винтов, которая в данной установке составляет±10 мкм. У координатного столика не предусмотрены приводные механизмы, необходимые для его точного позиционирования в процессе измерений. Процесс измерений производится оператором вручную и требует больших затрат труда и времени, что снижает производительность труда при измерении фотоэлектрических размеров и взаимосвязи многоэлементных фотоприемников.
Задачей заявляемой установки является повышение точности измерений и производительности выполнения операции контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов ФП ИК-диапазона спектра.
Предлагаемая полезная модель решает задачу измерения фотоэлектрических размеров и взаимосвязи многоэлементного фотоприемника с размерами элементов, сравнимыми с размерами оптического зонда и длиной волны оптического излучения.
Технический результат заявляемой установки контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов ФП ИК-диапазона спектра достигается посредством того, что в установку
дополнительно введено устройство прецизионного перемещения источника ИК-излучения, включающее подвижный столик, связанный через безлюфтовый редуктор с шаговым электродвигателем (ШД), электронный блок управления ШД, выходы которого подключены к ШД, а входы - к интерфейсной плате, которая соединена с персональной электронно-вычислительной машиной (ПЭВМ) и выходом ФП.
При этом погрешность положения оптического зонда относительно ФЧЭ меньше в коэффициент уменьшения объектива (у разработанной нами установки 13,5 раз), чем погрешность позиционирования источника ИК-излучения, что позволяет существенно уменьшить погрешность позиционирования оптического зонда относительно ФЧЭ по сравнению с прототипом.
Заявленная полезная модель поясняется блок-схемой установки контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов ФП ИК-диапазона спектра, представленной на фиг.1, где:
1 - источник ИК-излучения на спектральный диапазон 2-14 мкм;
1.1 - глобар;
1.2 - конденсор;
1.3 - модулятор;
1.4 - блок оптических щелей с плавной регулировкой от 0 до 4 мм;
2 - фокусирующая система;
2.1 - поворотное зеркало;
2.2 - зеркальный объектив с механизмом фокусировки;
3 - узел позиционирования ФП;
3.1 - двухкоординатный столик;
3.2 - микрометрические винты;
4 - устройство прецизионного перемещения источника ИК-излучения;
4.1 - подвижный столик;
4.2 - безлюфтовый редуктор;
4.3 - шаговый электродвигатель;
4.4 - электронный блок управления ШД;
4.5 - интерфейсная плата;
4.6 - персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ);
Полезная модель установки контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов ФП ИК-диапазона спектра содержит источник ИК-излучения на спектральный диапазон 2-14 мкм с глобаром 1.1, конденсором 1.2, механическим модулятором 1.3 и блоком оптических щелей 1.4 с плавной регулировкой от 0 до 4 мм, фокусирующую систему 2 с поворотным зеркалом 2.1 и зеркальным объективом 2.2 с механизмом фокусировки для формирования оптического зонда в плоскости расположения фоточувствительных элементов ФП, узел позиционирования фотоприемника 3, с двухкоординатным столиком 3.1 и микрометрическими винтами 3.2 отличающаяся тем, что в установку дополнительно введено устройство прецизионного перемещения источника ИК-излучеия 4, включающее подвижный столик 4.1, связанный через безлюфтовый редуктор 4.2 с шаговым электродвигателем 4.3, электронный блок управления ШД 4.4, выходы которого подключены к ШД, а входы - к интерфейсной плате 4.5, которая соединена с персональной электронно-вычислительной машиной (ПЭВМ) 4.6 и с выходом ФП.
Установка работает следующим образом.
Для обеспечения заданного спектрального диапазона (2-14 мкм) в качестве источника излучения используется глобар. Глобар 1.1 располагается в фокальной плоскости конденсора 1.2, который концентрирует пучок излучения от источника излучения и фокусирует его в плоскость расположения блока оптических щелей 1.4.
Спектральная фильтрация осуществляется выбором оптических материалов для составных компонентов оптической системы установки, нанесением покрытий, ограничивающих спектральный диапазон излучения, падающий на ФП. В связи с этим конденсор и окно корпуса ФП выполнены из германия с просветляющим покрытием на спектральный диапазон
исследуемых ФП.
Блок оптических щелей 1.4 представляет собой сборку из двух расположенных перпендикулярно друг другу плавно регулируемых механических щелей с диапазоном раскрытия 0÷4 мм и с точностью установки ±5 мкм. Блок оптических щелей выполняет функцию вторичного источника излучения, имеющего строго задаваемые и регулируемые размеры.
Между конденсором 1.2 и блоком оптических щелей 1.4 установлен механический модулятор 1.3, представляющий собой металлический диск с расположенными по краю диска лопатками, обеспечивающими при вращении электродвигателя модуляцию потока излучения с частотой ~650 Гц.
Подвижный столик 4.1 с установленными на нем компонентами ИК-излучателя 1 перемещается по высокоточным шариковым направляющим в направлении, перпендикулярном оптической оси зеркального объектива 2.2.
Перемещение осуществляется с помощью шагового электродвигателя 4.3, связанного с подвижным столиком посредством безлюфтового редуктора 4.2.
Использованная в установке конструкция редуктора представляет собой известное соединение винт-гайка, в котором гайка выполнена разрезной с возможностью регулировки зазора в резьбовом соединении. Подобные конструкции редукторов обеспечивают практически безлюфтовое соединение при движении столика в обоих направлениях с погрешностью определения его положения, не превышающей 5 мкм.
Использование в установке шагового электродвигателя ДШИ-200 обеспечивает дискретное пошаговое перемещение столика с числом шагов равным 200 за один оборот оси ШД. При выбранном шаге резьбового соединения редуктора равным 2 мм поворот ШД на один шаг соответствует перемещению столика на 10 мкм. Наличие трения в резьбовом соединении при старт-стопном движении ШД может приводить к появлению
погрешности в определении положения столика, не превышающей 0,5 шага, что составляет в данном случае 5 мкм.
Таким образом, суммарная погрешность перемещения подвижного столика 4.1 с ИК-излучателем 1 не превышает 10 мкм.
Выходящий из блока оптических щелей поток излучения падает на поворотное зеркало 2.1, которое разворачивает его на угол 90° и направляет на проекционный зеркальный объектив 2.2, выполненный по схеме Кассегрена.
Объектив состоит из двух зеркальных компонент - параболического и эллиптического зеркал, рассчитанных по схеме с минимальной сферической аберрацией, и имеет следующие характеристики:
- фокусное расстояние, мм
28,3
- диаметр кружка рассеяния в центре поля
изображения на длине волны 4 мкм, мкм
15
Для выбранного в установке расстояния от объектива до блока оптических щелей 1.4 в плоскости расположения исследуемого фотоприемника формируется изображение источника излучения в виде освещенного участка прямоугольной формы с уменьшением размеров в 13,5 раза. В такое же количество раз уменьшаются и все погрешности, связанные с неточностью перемещения излучателя, установленного на подвижном столике 4.1. Рассмотренная выше суммарная погрешность перемещения источника излучения, равная 10 мкм, проецируется в плоскость фотоприемника, уменьшаясь до 0,8 мкм, что в несколько раз меньше, чем в установке-прототипе.
Объектив имеет регулировку положения плоскости изображения в пределах ±4 мм, что позволяет производить точную фокусировку сформированного потока излучения на исследуемый фотоприемник. Перемещение объектива вдоль оптической оси осуществляется вручную с помощью специального механизма.
Узел позиционирования фотоприемника 3 представляет собой
двухкоординатный столик 3.1 с микрометрическими винтами 3.2 для установки ФП с возможностью перемещения его в двух взаимно-перпендикулярных направлениях.
Процесс измерений происходит следующим образом. Измеряемый ФП помещается в посадочное место узла позиционирования и подключается к входу интерфейсной платы. Измерение сигналов с ФП производится под управлением ПЭВМ с помощью программного обеспечения AreaProject.exe. Перед началом измерений ФП с помощью микрометрических винтов устанавливается по центру и по фокусу оптического зонда. Критерием настройки оптического зонда в месте расположения фоточувствительных элементов (ФЧЭ) служит крутизна спада распределения снимаемого выходного фотосигнала, максимальное его значение и минимальная полуширина измеряемой характеристики. После настройки запускается программа на перемещение источника ИК-излучения и происходит снятие зависимости фотосигнала ФП от положения оптического зонда. Оптический зонд отходит на N точек, где 2N-количество точек измерения, затем сканирует элемент ФП за один проход.
После снятия характеристики проводится обработка данных на ПЭВМ, строится зависимость распределения фоточувствительности от координаты вдоль измеряемого элемента и вычисляются основные параметры: полуширина измеряемой характеристики или эффективный размер ФЧЭ и коэффициент взаимосвязи. Операция повторяется для взаимно перпендикулярного направления.
Была изготовлена и исследована экспериментальная установка контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов фотоприемника ИК-диапазона спектра.
Изготовленная установка обеспечивает следующие технические характеристики:
- спектральный диапазон измеряемых ФП, мкм
2÷14
- диапазон измеряемых эффективных размеров фотоэлектрических площадок, мкм×мкм
20×20÷2000×2000
- минимальный шаг перемещения
оптического зонда, мкм
3
- максимальный шаг перемещения
оптического зонда, мкм
30
- количество точек сканирования
65
- максимальная погрешность установки положения
ФП относительно оптического зонда, мкм
0,8
- диапазон измеряемых значений коэффициента
взаимосвязи между ФЧЭ, %
0÷20
-диапазон перемещения ФП в плоскости оптического
зонда, мм
15÷15
Предлагаемая установка обеспечивает более высокую точность контроля размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов ФП ИК-диапазона спектра и повышает производительность выполнения операций контроля за счет введения в установку устройства прецизионного перемещения источника ИК-излучения.
Литература
1. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. - М: Мир, 1985. - СС.409-440.
2. Технические условия, Установка для измерения коэффициента фотоэлектрической связи К 167.410ТУ.