Superando armadilhas ao medir ópticas finas e paralelas

Impulsionados pela demanda por produtos de consumo cada vez menores e dispositivos semicondutores, os fabricantes exigem ópticas planas finas para uma variedade de aplicações. Isso coloca a responsabilidade dos fabricantes de materiais e óticas para garantir que o vidro seja plano e livre de deformidades do material que possam causar distorção e afetar a funcionalidade de uso final. Isso sobrecarrega muito as ferramentas de metrologia que precisam medir e confirmar a uniformidade de ópticas planas finas, provando assim que elas são adequadas para o propósito.

Inerentemente, a medição de superfícies ópticas paralelas finas pode ser extremamente desgastante. Essas ópticas são caracterizadas pelo fato de terem menos de alguns milímetros de espessura, e isso significa que as superfícies frontal e traseira estão muito próximas. Por causa disso, a interferometria de mudança de fase mecânica padrão (PSI) acha difícil discernir entre as superfícies.

Uma solução mais avançada é a interferometria de mudança de fase com transformada de Fourier (FTPSI), que permite fácil caracterização da superfície frontal e traseira, variação de espessura óptica e homogeneidade do material de vidro paralelo de plano fino. O FTPSI permite distinguir entre as superfícies frontal e traseira e caracterizar a qualidade de ambas em uma única medição, mesmo que tenham menos de um milímetro de espessura.

Por que FTPSI?

Para entender por que o FTPSI é a técnica preferida para medir óptica paralela fina, precisamos examinar mais de perto as técnicas de medição tradicionais alternativas e ver onde elas falham.

Se considerarmos o PSI que funciona passando um feixe de luz através de uma óptica de referência ideal (chamada de transmissão plana [TF]), para a peça em teste, vemos que esta técnica não consegue distinguir entre as superfícies frontal e traseira de uma óptica paralela fina . Quando devidamente alinhados, o TF e a peça em teste criam um padrão de interferência, registrado como um interferograma. O software de metrologia analisa as variações de altura produzidas pelos deslocamentos de fase e reconstrói a frente de onda da superfície, que representa a diferença de altura entre o TF e a peça de teste.

Quando a superfície frontal de uma parte fina e paralela é alinhada, uma segunda reflexão é normalmente retornada ao interferômetro a partir da superfície traseira. Isso resulta em um padrão de franja complexo criado por vários interferogramas sobrepostos que não podem ser analisados ​​com precisão usando PSI. ( Figura 1)

Existem ações que podem ser tomadas para melhorar a situação, mas são demoradas e adicionam etapas desnecessárias e potencialmente prejudiciais ao processo geral. Isso inclui aplicar tinta preta na superfície traseira para extinguir seu reflexo, colorir com um marcador de cor escura ou espalhar vaselina na superfície.

O método FTPSI nega a necessidade de manipular manualmente a superfície traseira da óptica fina para realizar medições significativas e precisas. Em vez disso, o FTPSI usa a reflexão da superfície traseira para obter mais informações sobre o componente óptico fino em uma única medição. Isso é possível porque o FTPSI não requer movimento mecânico dentro da cavidade de teste para criar os interferogramas. Em vez disso, o FTPSI depende da modulação do comprimento de onda da fonte de laser para permitir a medição. Cada cavidade no caminho óptico em uma aquisição FTPSI produz uma frequência de interferência única que define o comprimento da cavidade, e isso permite uma delineação clara e uma caracterização precisa da superfície. Os algoritmos podem então analisar ambas as superfícies e caracterizar sua forma de forma independente. (Figura 2)

FTPSI de várias superfícies

Vamos começar com o básico. Um TF — como mencionado acima — é usado com um interferômetro para estabelecer uma referência plana para uma medição de superfície ou frente de onda transmitida. Uma referência plana (RF) é uma superfície óptica de alta qualidade que é usada para direcionar um feixe de medição com efeito mínimo na frente de onda geral.

A medição FTPSI mais simples é uma configuração de três superfícies que consiste no TF — superfície 1 e na parte de teste — superfícies 2 e 3 (consulte a Figura 3). Nesta configuração, um resultado de superfície traseira é fornecido, mas inclui não uniformidades do material devido à passagem do feixe de medição pelo material da peça de teste.

Para medições de maior precisão da superfície traseira, uma configuração de quatro superfícies pode ser usada colocando um RF – superfície 4 – atrás da ótica de teste. Nesta configuração, a forma da superfície 3 é comparada com a RF conhecida. Essa configuração cria uma segunda cavidade de teste entre a superfície traseira e a RF e fornece uma medição direta da superfície traseira sem a incerteza do material na peça.

Uma única medição FTPSI com as configurações de cavidade de três e quatro superfícies inclui um resultado de desvio de espessura, que é um mapa de superfície total da espessura do material na peça de teste.

Homogeneidade do material

A configuração da cavidade de quatro superfícies descrita acima permite a caracterização da homogeneidade do material da peça de teste, um recurso exclusivo da tecnologia FTPSI. A informação de homogeneidade pode ser obtida medindo-se primeiro a cavidade com a peça de teste dentro, depois retirando a peça da cavidade e realizando uma medição de “cavidade vazia”, permitindo uma comparação entre o TF e o RF.

Ao contrário de outras técnicas de medição de homogeneidade que fornecem apenas o componente não linear, um resultado FTPSI mantém uma cavidade fixa e, portanto, pode fornecer os componentes não linear e linear da homogeneidade do material. A porção linear é crítica para aplicações sensíveis ao apontamento do feixe, pois o resultado pode ser usado para prever como um feixe se desvia ao passar pela peça de teste.

Precisão

Tal como acontece com todos os métodos de teste interferométricos, a incerteza de medição é baseada em vários fatores, incluindo a qualidade da óptica de referência, estabilidade do ambiente de medição e técnicas de montagem.

Para peças com menos de 6 polegadas de diâmetro (150 mm), a forma da superfície óptica pico-vale de referência pode ser da ordem de 2,5% do comprimento de onda da luz usada para fazer a medição - λ/40. Se o sistema, por exemplo, tiver um laser emitindo luz vermelha no comprimento de onda de 633 nm, isso corresponde a aproximadamente 16 nm. Na maioria dos casos, isso permite que a medição resultante esteja bem dentro da largura de banda de tolerância para aplicações de vidro fino.

Como a peça é mantida na cavidade de teste é provavelmente o fator mais crítico ao medir ópticas finas, mais especificamente a técnica de montagem e a orientação de montagem. Simplesmente prender uma ótica fina pode induzir estresse indesejado e fazer com que a ótica se dobre. Diferenças na orientação podem produzir resultados de medição muito diferentes, especialmente para peças finas, devido aos efeitos da gravidade. Idealmente, a peça deve ser montada na mesma configuração em que será usada em sua aplicação de uso final para evitar diferenças inesperadas entre a intenção projetada e o desempenho real. (Figura 4.)

Resumo

O FTPSI é uma escolha atraente para fabricantes de óptica que precisam garantir a qualidade de óptica paralela fina. Ao contrário do PSI mecânico convencional, o FTPSI pode distinguir as superfícies frontal e traseira e caracterizar suas informações de superfície correspondentes em uma única medição repetível. Graças aos avanços em equipamentos e algoritmos, o FTPSI pode caracterizar a forma da superfície, o desvio de espessura e a homogeneidade do material de ópticas com menos de 1 mm de espessura. Diante da crescente demanda por ópticas finas e paralelas e dos desafios envolvidos na medição precisa dessas ópticas, o FTPSI supera as limitações dos métodos anteriores. Sua força na caracterização, juntamente com sua facilidade de uso, o torna uma boa escolha para metrologia óptica.

Este artigo foi escrito por Dan Musinski, Vice-presidente de Desenvolvimento de Negócios Estratégicos, Zygo Corporation (Middlefield, CT). Para mais informações, visite aqui .