Лазерная сканирующая интерференционная система для определения толщины слоистых микроструктур

Мехатроника, автоматизация, управление. 2003. №4. С.10-14.

ЛАЗЕРНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СЛОИСТЫХ МИКРОСТРУКТУР

, ,

Институт проблем точной механики и управления РАН

Саратовский государственный университет

Введение

Когерентно оптические методы достаточно широко используются для размерного контроля параметров микроструктуры различных объектов технического и биологического происхождения [1-4,7]. Особое место занимают интерференционные методы [2-15, 17-30], обладающие наиболее высокой чувствительностью и разрешающей способностью в задачах измерения параметров движения и деформаций объектов, а также параметров макроформы объектов и их микроструктуры, в том числе измерения толщины различных слоев, что является актуальной задачей в прецизионной механике, точном приборостроении, электронной технике и других отраслях промышленности. [16]. В качестве источников света в интерференционных методах используются как лазеры, так и не лазерные источники с ограниченными когерентными свойствами. Лазеры существенно расширили прикладные возможности интерференционных методов, благодаря высокой степени когерентности излучения при высокой мощности [2-4]. Однако в последнее время широкое развитие получили и низкокогерентные методы интерферометрии [7, 17-25], в которых сигналом измерительной информации служат собственно не интерференционные осцилляции интенсивности светового поля, а их огибающая, определяемая функцией временной или пространственной когерентности [7]. Эти методы в основном нашли применение в биомедицине для измерения оптически прозрачных тканевых слоев различной толщины (от нескольких десятков микрометров, до нескольких сантиметров). Точность низкокогерентных методов определяется не длиной волны используемого света, а длиной временной или радиусом пространственной когерентности. Таким образом, для реализации методов низкогерентной интерферометрии необходимы источники с достаточно широким временным спектром излучения или с достаточно широким телом светимости. Для наиболее развитых методов низкокогерентной интерферометрии, основанной на регистрации интерференционного импульса, обусловленного временной когерентностью света, характерное достижимое в настоящее время пространственной разрешение, определяемое длиной когерентности, составляет мкм [21, 22, 25]. Дальнейшее уменьшение этого параметра связано с разработкой широкополосных источников света с малым телом светимости и достаточно большой мощности. В настоящей работе обсуждается лазерный интерференционный метод измерения толщины тонких оптически прозрачных слоистых структур, функционально аналогичный методу низкокогерентной интерферометрии, позволяющий получить в пределе субмикронное пространственное разрешение при формировании интерференционного импульса, содержащего всего несколько интерференционных осцилляций.

Формирование сигнала в лазерном интерферометре с остросфокусированными пучками

Пространственно-временные аналогии усреднения интерференционных полей позволяют построить интерферометр, в котором происходит усреднение по конечной апертуре фотоприемника – лазерный интерферометр с остросфокусированными пучками, в котором реализуется существенное рассогласование световых полей по фазовым распределениям при интерференции сферических волн различной кривизны [28-30]. Одна из реализаций схемы такого интерферометра – на сканирующей платформе при неподвижном объекте - приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Сканирующий лазерный интерферометр с остросфокусированными пучками: 1– He-Ne лазер; 2- поворотная призма; 3, 4, 5- микрообъективы; 6- опорное зеркало; 7- слоистый объект; 8- делительный кубик; 9- широкоапертурный фотоприемник; 10- сканирующая платформа; ГК - генератор колебаний сканирующей платформы; АЦП - аналого-цифровой преобразователь выходного сигнала с синхронизацией от ГК; ПК - персональный компьютер; ОС- осциллограф.

Переменную составляющую выходного фотосигнала лазерного интерферометра с остросфокусированными пучками в случае зеркального объекта можно представить в виде:

, (1)

где - коэффициент, учитывающий постоянную фотоприемника и интенсивности интерферирующих пучков; (l=0.6328мкм – длина волны излучения лазера); - смещение объекта вдоль оптической оси; - огибающая сигнала (коэффициент модуляции) имеет вид [30]:

, (2)

где - числовая апертура зондирующего светового пучка.

Из уравнения (1) легко сделать оценку ширины максимума коэффициента модуляции на половине высоты:

, (3)

которая показывает, что при фотоэлектрический сигнал может содержать всего несколько интерференционных осцилляций, хорошо наблюдаемых в эксперименте при амплитуде сканирования и числовой апертуре зондирующего пучка света (см. рис. 2). Этот результат, важно отметить, соответствует предельным практическим возможностям низко когерентной интерферометрии [21].

Рис. 2. Экспериментальная осциллограмма сигнала сканирующего лазерного интерферометра с остросфокусированными пучками от зеркального объекта. Расчетная числовая апертура зондирующего светового пучка NA=0.67.

Наиболее эффективное применение, рассматриваемый интерферометр может найти в задачах измерения толщины тонких прозрачных или полупрозрачных и частично рассеивающих пластин, слоев и покрытий, в том числе нанесенных на шероховатую поверхность [30]. При контроле таких объектов выходной сигнал интерферометра должен содержать максимумы амплитуды при совпадении перетяжки лазерного пучка с соответствующей поверхностью раздела оптических сред.

Не трудно показать, что геометрическую толщину прозрачного слоя, измеряемую лазерным интерферометром с остросфокусированными пучками можно оценить следующим образом:

, (4)

где - фазовый показатель преломления среды измеряемого слоя, значение которого, так или иначе, необходимо определить независимым способом; - расстояние между максимумами огибающей интерференционного сигнала.

Такая оценка геометрической толщины исследуемого слоя следует из того, что сферический пучок при прохождении через границу раздела сред теряет свою гомоцентричность, то есть, лучи, проходящие через границу раздела сред (например, воздух - стекло) под различными углами и до этого сходившиеся в одной точке, будут пересекаться с оптической осью в различных точках: параксиальные лучи – ближе к границе раздела сред, крайние лучи – дальше от нее.

Точная формула определения геометрической толщины измеряемого слоя может быть получена при решении дифракционной задачи распределения энергии преломленной сходящейся сферической волны вдоль оптической оси, то есть нахождения точки, в которой эта энергия максимальна.

Экспериментальные исследования структуры слоистых объектов

Результаты измерений геометрической толщины различных объектов с помощью интерферометра с остросфокусированными пучками приведены в таблицах 1-4. Минимальное и максимальное значения толщин, рассчитанных по формуле (4), обозначены и , расстояние между максимумами в интерференционном сигнале обозначено как .

Таблица 1.

Объект	Покровное стекло: мкм*,
, мкм			, мкм	, мкм
88.9	0.40	0.37	134.7	140.6
83.9	0.65	0.63	127.0	149.0
87.3	0.95	0.67	132.3	159.5
*толщина в зоне измерения определена с помощью микрометра

Таблица 2.

Объект	Покровное стекло: мкм*,
, мкм			, мкм	, мкм
131.3	0.40	0.29	198.9	203.9
130.4	0.65	0.54	197.5	218.6
127.2	0.95	0.63	192.7	226.0
*толщина в зоне измерения определена с помощью микрометра

Таблица 3.

Объект	Лак на металле: мкм*,
, мкм			, мкм	, мкм
25.3	0.40	0.37	39.9	41.7
24.1	0.33	37.9	39.3
24.1	0.32	37.9	39.2
25.0	0.34	39.4	41.0
19.9	0.65	0.60	31.5	36.4
21.2	0.63	33.4	39.5
19.9	0.95	0.67	31.4	38.2
22.2	0.76	34.9	46.8
20.9	0.71	32.9	41.6
*толщина в зоне измерения определена методом наклонного сфокусированного лазерного пучка [26,27].

Таблица 4.

Объект	Лак на металле: мкм*,
, мкм			, мкм	, мкм
7.0	0.95	0.71	11.0	13.9
6.3	0.56	10.0	11.4
7.0	0.63	11.0	13.0
6.6	0.58	10.5	12.0
7.0	0.56	11.0	12.4
8.2	0.63	13.0	15.3
6.3	0.63	10.0	11.8
6.6	0.76	10.5	14.1
6.6	0.67	10.5	12.7
*толщина в зоне измерения определена методом наклонного сфокусированного лазерного пучка [26,27].

На рисунке 3 приведены примеры осциллограмм некоторых сигналов от измеряемых слоистых объектов.

а

б

Рис. 3. Экспериментальные осциллограммы сигналов от лаковых покрытий, нанесенных на металлическую шероховатую поверхность: а – геометрическая толщина покрытия ~9 мкм, числовая апертура зондирующего пучка NA=0.76; б – геометрическая толщина покрытия ~35 мкм, числовая апертура зондирующего пучка NA=0.63.

Анализ результатов измерений геометрических толщин различных тонкослойных объектов, приведенных в таблицах 1-4 позволяет сказать о их достаточно хорошем совпадении с результатами измерений тех же толщин другими методами: с помощью механического микрометра и методом наклонного лазерного пучка. В большинстве случаев измеренные этими независимыми способами значения геометрической толщины исследуемых объектов лежат внутри интервала измерения геометрической толщины лазерным интерферометром с остросфокусированным зондирующим пучком, задаваемым формулой (4), смещаясь то к одной из границ этого интервала, то к другой, в зависимости от используемого типа микрообъектива и параметров объекта (толщины и показателя преломления). Это явление можно объяснить наличием сферических аберраций в световых зондирующих пучках, формируемых используемыми микрообъективами (чем больше номинальная числовая апертура микрообъектива, тем больше эти аберрации).

Поскольку нами использовались микрообъективы для микроскопов с длиной тубуса 160 мм, для которых сферические аберрации исправлены при работе с покровным стеклом марки К-8 толщины 170 мкм, то исходные зондирующие пучки уже не были гомоцентрическими. Это приводило к эффекту, противоположному описанному раннее (разрушение гомоцентричности пучка при прохождении границы раздела сред), то есть исходный негомоцентрический зондирующий пучок как бы исправлялся при переходе через границу раздела сред. Этот эффект особенно хорошо заметен при зондировании лаковых слоев с показателем преломления, большим чем показатель преломления стекла марки К-8, пучками, сформированными с помощью высокоапертурных микрообъективов, когда левая часть формулы (4) дает более точное значение измеряемой величины геометрической толщины объекта, чем правая, хотя ожидалось, что должно быть на оборот (см. таб. 3, 4).

Заключение

Проведенные экспериментальные исследования показали эффективность разработанной измерительной системы для решения ряда задач по определению геометрических параметров прозрачных и частично рассеивающих слоев и их показателей преломления. Нами экспериментально получен импульс, содержащий всего 5-7 осцилляций, что соответствует разрешению для He-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм. Таким образом, можно утверждать о полученном в данной работе рекордном разрешении, достигаемом рассматриваемыми типами интерферометров.

Вместе с этим в работе выявлен и ряд метрологических проблем в реализации предложенной измерительной системы. При зондировании слоя сфокусированным пучком с большой угловой апертурой в силу нелинейности закона преломления в пучке возникают сферические аберрации, приводящие к деградации и уширению импульса сигнала интерферометра с остросфокусированным зондирующим лазерным пучком. Детальное исследование влияния этих деструктивных факторов, а также установления точной формулы для определения геометрической толщины исследуемого слоя, предполагается провести в рамках дальнейшей работы.

Список использованных источников

1.  Оптическая обработка информации. Под ред. Д. Кейсессента. - М.: Мир, 19с.

2.  , , Островская интерферометрия. –М.: Наука, 1977. – 336 с.

3.  Лазерные измерительные системы / , , и др.; Под ред. . - М.: Радио и связь, 1981.

4.  , Ханов лазерные интерферометры. – Новосибирск: Наука, 19с.

5.  Bobroff N. Recent advances in displacement measuring interferometry. // Measurement Science and Technology.- 1993. - Vol.4. - Iss.9. - P.907-926.

6.  , Алешин лазерные интерферометры в многокомпонентных измерительных системах. // Журнал радиоэлектроники.- 2000. - №10.

7.  Власов изображений на основе использования когерентных свойств зондирующего излучения. // ЖНПФ.- 1999. - т.4. - №5. - С.67-74.

8.  Герасимова интерференционный метод измерения толщины и показателя преломления тонких пленок. // Оптический журнал, 1998. - №2. - С.78-82.

9.  Герасимова толщины прозрачных пластин и тонких пленок методом полос равного наклона. // Оптический журнал, 1998. -
№ 2. - С.83-87.

10.  Яковлев метод определения параметров оптических пленок. // Оптический журнал, 1999. - № 2. - С.64-66.

11.  Kiedron P. W. Angle-scanning laser interferometer for film thickness measurement. // Pros. SPIE. V.6P.103-114.

12.  Попов толщины прозрачных пластин. // ПТЭ, 1978 - №3. - С.237-238.

13.  , , В Измерение толщин тонких прозрачных пленок с помощью интерферометра, не содержащего подвижных оптических элементов. // ОМП, 1984. - №8. - С.42-44.

14.  Раков тонкопленочных полупроводниковых структур. - М.: Сов. Радио, 19с.

15.  Шаров метод измерения расстояния между полупрозрачными отражающими поверхностями.// ОМП, 1985. - №8. - С.13-14.

16.  Бабаджанов -методическая и техническая основа системы обеспечения единства измерений толщины покрытий.
// Измерительная техника, 1984. - №10. – С.11-13.А. С. 1772627 СССР МКИ G 01 В 11/08.

17.  Способ измерения толщины тонких прозрачных и полупрозрачных слоев / , , // Открытия. Изобретения. 1992. Бюл.№40.

18.  Fukano T., Yamaguchi I. Simultaneous measurement of thickness and refractive indices of multiple layers by a low-coherence confocal interference microscopy. // Opt. Lett, 1996. - V.21. - P..

19.  Haruna M., Ohmi M., Mitsuyama T., Tajiri H., Maruyama H., Hashimoto M. Simultaneous measurement of the phase and group indices and the thickness of transparent plates by low-coherence interferometry. // Optics Letters, 1998.
- V.23. - N.12. - P.966-968.

20.  Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей / , , и др. // Письма в ЖЭТФ.- 1995.- Т.61.- Вып. 2.- С. 149-153.

21.  Proc. SPIE: Coherence-Domain Methods in Biomedical Optics / V. V.Tuchin, Editor, Ch.4: Low-coherence-interferometry and tomography.- 1996.- P. 210-250.

22.  Fercher A. F. Optical coherence tomography // J. Biomed. Opt.- 1996.- Vol.1.- №2.- P. 157-173.

23.  Schmitt J. M., Lee S. L., Yung K. M. An optical coherence microscope with enhanced resolving power in thick tissue // mun.- 1997.- № 000.- P. 203-207.

24.  Linas G., Remigijus K., Romualdas D. Accurate remote distance sensing by use of low coherence interferometry: an industrial application // Appl. Opt.- 1998.- Vol.37.- №28.- P..

25.  Femtosecond transillumination tomography in thick tissues / M. R. Hee, J. A. Izatt, E. A. Swanson, J. G. Fujimoto // Opt. Lett.- 1993.- Vol.18.- P..

26.  , , . Формирование квазирегулярной интерференционной картины в отраженном от прозрачного оптически неоднородного слоя спекл-модулированном лазерном пучке. // ЖТФ, 2002. - Т.72. - Вып.4. - С.72-75.

27.  , , . Лазерный интерференционный метод измерения толщины прозрачного оптически неоднородного слоя. В сб. “Проблемы точной механики и управления”, Саратов, 2002.

28.  , , Константинов интерферометр с остросфокусированными пучками для контроля пространственного положения объекта. Матер. межд. конф.: "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении. - Саратов, Изд-во Сарат. ун-та, 1997, С.190-192.

29.  Ryabukho V. P., Khomutov V. L., Tuchin V. V., Lyakin D. V., Konstantinov K. V. Laser interferometer with an object sharply focussed beam as a tool for optical tomography. Proc. SPIE: Coherence Domain Optical Methods in Biomedical Science and Clinical Applications II.- 1998.– Vol.3251.- P.247-252.

30.  Лазерный интерферометр с остросфокусированными пучками для контроля пространственного положения объекта / , , // Письма в ЖТФ.- 1998.- Т.24.- №4.- С. 19-24.