Beherrschung dünner, paralleler Optik: Messfehler mit Präzision überwinden

Getrieben von der Nachfrage nach immer kleineren Konsumprodukten und Halbleiterbauelementen benötigen Hersteller dünne planare Optiken für eine Vielzahl von Anwendungen. Dies legt die Verantwortung auf Material- und Optikhersteller, sicherzustellen, dass das Glas eben und frei von Materialverformungen ist, die Verzerrungen verursachen und die Endverwendungsfunktionalität beeinträchtigen können. Dies stellt eine enorme Belastung für Messtechnikwerkzeuge dar, die die Gleichmäßigkeit dünner planarer Optiken messen und bestätigen müssen, um deren Eignung für den Zweck nachzuweisen.

Inherent ist die Messung dünner paralleler optischer Flächen extrem anspruchsvoll. Solche Optiken zeichnen sich dadurch aus, dass sie weniger als einige Millimeter dick sind, was bedeutet, dass Vorder- und Rückfläche sehr nah beieinander liegen. Deshalb kann die standardmäßige mechanische Phasenschiefer-Interferometrie (PSI) Schwierigkeiten haben, zwischen den Flächen zu unterscheiden.

Eine fortschrittlichere Lösung ist die Fourier-Transform-Phasenschiefer-Interferometrie (FTPSI), die eine einfache Charakterisierung von Vorder- und Rückfläche, optischer Dickenvariation und Materialhomogenität von dünnen planparallelen Gläsern ermöglicht. FTPSI macht es möglich, zwischen Vorder- und Rückfläche zu unterscheiden und die Qualität beider in einer einzigen Messung zu charakterisieren, selbst wenn sie weniger als einen Millimeter dick sind.

Warum FTPSI?

Um zu verstehen, warum FTPSI die bevorzugte Technik für die Messung dünner paralleler Optiken ist, müssen wir einen genaueren Blick auf die alternativen traditionellen Messverfahren werfen und sehen, wo sie an ihre Grenzen stoßen.

Betrachten wir PSI, das funktioniert, indem ein Lichtstrahl durch eine ideale Referenzoptik (eine sogenannte Transmissionsflat [TF]) zum Prüfteil geleitet wird, sehen wir, dass diese Technik nicht zwischen Vorder- und Rückfläche einer dünnen parallelen Optik unterscheiden kann. Bei korrekter Ausrichtung erzeugen die TF und das Prüfteil ein Interferenzmuster, das als Interferogramm aufgezeichnet wird. Die Messtechnik-Software analysiert die durch die Phasenschritte erzeugten Höhenvariationen und rekonstruiert den Oberflächenwellenfront, der den Höhenunterschied zwischen der TF und dem Prüfteil darstellt.

Wenn die Vorderfläche eines dünnen, parallelen Teils ausgerichtet wird, wird typischerweise eine zweite Reflexion von der Rückfläche zum Interferometer zurückgegeben. Dies führt zu einem komplexen Streifenmuster, das durch mehrere sich überlagernde Interferogramme entsteht und mit PSI nicht genau analysiert werden kann. (Abbildung 1)

Es gibt Maßnahmen, die die Situation verbessern können, aber sie sind zeitaufwändig und fügen dem Gesamtprozess unnötige und potenziell schädliche Schritte hinzu. Dazu gehören das Auftragen von schwarzer Farbe auf die Rückfläche, um deren Reflexion zu löschen, das Einfärben mit einem dunklen Marker oder das Auftragen von Petrolatum auf die Fläche.

Die FTPSI-Methode macht die Notwendigkeit zunichte, die Rückfläche der dünnen Optik manuell zu manipulieren, um sinnvolle und genaue Messungen durchzuführen. Stattdessen nutzt FTPSI die Reflexion von der Rückfläche, um in einer einzigen Messung mehr Informationen über das dünne optische Bauteil zu gewinnen. Dies ist möglich, weil FTPSI keine mechanische Bewegung im Testhohlraum benötigt, um die Interferogramme zu erzeugen. Stattdessen basiert FTPSI auf der Modulation der Wellenlänge der Laserquelle, um die Messung zu ermöglichen. Jeder Hohlraum im optischen Pfad bei einer FTPSI-Aufnahme erzeugt eine einzigartige Interferenzfrequenz, die seine Hohlraumlänge definiert, und dies ermöglicht eine klare Abgrenzung und genaue Charakterisierung der Fläche. Algorithmen können dann beide Flächen analysieren und ihre Form unabhängig voneinander charakterisieren. (Abbildung 2)

Multi-Surface FTPSI

Beginnen wir mit den Grundlagen. Eine TF – wie oben erwähnt – wird mit einem Interferometer verwendet, um eine plano-Referenz für eine Flächen- oder Transmissionswellenfrontmessung zu etablieren. Eine Referenzflat (RF) ist eine hochwertige optische Fläche, die verwendet wird, um einen Messstrahl mit minimaler Auswirkung auf die Gesamtwellenfront zu lenken.

Die einfachste FTPSI-Messung ist eine Drei-Flächen-Konfiguration, die aus der TF – Fläche 1 – und dem Prüfteil – Flächen 2 und 3 – besteht (siehe Abbildung 3). In dieser Konfiguration wird ein Rückflächen-Ergebnis geliefert, das jedoch Materialinhomogenitäten enthält, da der Messstrahl das Material des Prüfteils durchdringt.

Für höhergenaue Messungen der Rückfläche kann eine Vier-Flächen-Konfiguration verwendet werden, indem eine RF – Fläche 4 – hinter die Prüflinse platziert wird. In dieser Konfiguration wird die Form von Fläche 3 mit der bekannten RF verglichen. Diese Konfiguration erzeugt einen zweiten Testhohlraum zwischen der Rückfläche und der RF und liefert eine direkte Messung der Rückfläche ohne die Unsicherheit des Materials im Teil.

Eine einzelne FTPSI-Messung mit sowohl der Drei- als auch der Vier-Flächen-Hohlraumkonfiguration umfasst ein Dickenabweichungsergebnis, das eine vollständige Flächenkarte der Materialdicke über das Prüfteil darstellt.

Materialhomogenität

Die oben beschriebene Vier-Flächen-Hohlraumkonfiguration ermöglicht die Charakterisierung der Materialhomogenität des Prüfteils, ein einzigartiges Merkmal der FTPSI-Technologie. Die Homogenitätsinformation kann erhalten werden, indem zuerst der Hohlraum mit dem Prüfteil darin gemessen wird, dann das Teil aus dem Hohlraum entfernt wird und eine „leere Hohlraum“-Messung durchgeführt wird, was einen Vergleich zwischen der TF und der RF ermöglicht.

Im Gegensatz zu anderen Homogenitätsmessverfahren, die nur die nichtlineare Komponente liefern, behält ein FTPSI-Ergebnis einen festen Hohlraum bei und kann daher sowohl die nichtlinearen als auch die linearen Komponenten der Materialhomogenität liefern. Der lineare Anteil ist entscheidend für Anwendungen, die empfindlich auf Strahlablenkung reagieren, da das Ergebnis verwendet werden kann, um vorherzusagen, wie ein Strahl abgelenkt wird, wenn er das Prüfteil durchdringt.

Genauigkeit

Wie bei allen interferometrischen Testmethoden basiert die Messunsicherheit auf einer Reihe von Faktoren, einschließlich der Qualität der Referenzoptiken, der Stabilität der Messumgebung und der Montagetechniken.

Für Teile mit weniger als 6 Zoll Durchmesser (150 mm) kann die Spitzen-Tal-Oberflächenform der Referenzoptik in der Größenordnung von 2,5 % der Wellenlänge des für die Messung verwendeten Lichts liegen – λ/40. Wenn das System beispielsweise einen Laser hat, der rotes Licht bei einer Wellenlänge von 633 nm emittiert, entspricht dies etwa 16 nm. In den meisten Fällen ermöglicht dies, dass die resultierende Messung gut innerhalb des Toleranzbandbreiten für Dünnglasanwendungen liegt.

Wie das Teil im Testhohlraum gehalten wird, ist wahrscheinlich der kritischste Faktor bei der Messung dünner Optiken, genauer gesagt die Montagetechnik und die Montageorientierung. Das einfache Spannen einer dünnen Optik kann unerwünschte Spannungen induzieren und die Optik verbiegen. Unterschiede in der Orientierung können sehr unterschiedliche Messergebnisse liefern, besonders bei dünnen Teilen, aufgrund von Schwerkrafteinflüssen. Idealerweise sollte das Teil in der gleichen Konfiguration montiert werden, in der es in seiner Endanwendung verwendet wird, um unerwartete Unterschiede zwischen dem Designziel und der tatsächlichen Leistung zu vermeiden. (Abbildung 4.)

Zusammenfassung

FTPSI ist eine überzeugende Wahl für Optikhersteller, die die Qualität dünner, paralleler Optiken sicherstellen müssen. Im Gegensatz zur konventionellen mechanischen PSI kann FTPSI die Vorder- und Rückfläche unterscheiden und ihre entsprechenden Flächeninformationen in einer einzigen, wiederholbaren Messung charakterisieren. Dank Fortschritten sowohl bei Geräten als auch bei Algorithmen kann FTPSI Flächenform, Dickenabweichung und Materialhomogenität von Optiken charakterisieren, die weniger als 1 mm dick sind. Angesichts der wachsenden Nachfrage nach dünnen, parallelen Optiken und den Herausforderungen bei deren genauer Messung überwindet FTPSI die Limitations früherer Methoden. Seine Stärke in der Charakterisierung zusammen mit seiner Benutzerfreundlichkeit macht es zu einer guten Wahl für die optische Messtechnik.

Dieser Artikel wurde von Dan Musinski, Vice President of Strategic Business Development, Zygo Corporation (Middlefield, CT) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier .