Dominando Ópticas Planas Finas: Supere Armadilhas de Medição com Precisão

Dominando Ópticas Planas Finas: Supere Armadilhas de Medição com Precisão

Impulsionados pela demanda por produtos de consumo e dispositivos semicondutores cada vez menores, fabricantes requerem ópticas planas finas para uma variedade de aplicações. Isso coloca a responsabilidade sobre fabricantes de materiais e ópticas para garantir que o vidro seja plano e livre de deformidades materiais que possam causar distorção e afetar a funcionalidade final. Isso coloca um enorme fardo sobre ferramentas de metrologia que precisam medir e confirmar a uniformidade de ópticas planas finas, provando que são adequadas ao propósito.

Inerentemente, a medição de superfícies ópticas paralelas finas pode ser extremamente desafiadora. Tais ópticas são caracterizadas por terem menos de alguns milímetros de espessura, o que significa que as superfícies frontal e traseira estão muito próximas. Por causa disso, a interferometria de deslocamento de fase mecânica padrão (PSI) encontra dificuldade em discernir entre as superfícies.

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

Por que FTPSI?

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

Se considerarmos a PSI, que funciona passando um feixe de luz através de uma óptica de referência ideal (chamada de chapa de transmissão [TF]), para a peça sob teste, vemos que esta técnica não consegue distinguir entre as superfícies frontal e traseira de uma óptica paralela fina. Quando alinhados corretamente, a TF e a peça sob 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 a TF e a peça de teste.

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

Existem ações que podem ser tomadas para melhorar a situação, mas elas são demoradas e adicionam etapas desnecessárias e potencialmente danosas ao processo geral. Estas incluem aplicar tinta preta na superfície traseira para extinguir sua reflexão, colorir com marcador escuro 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, a FTPSI usa a reflexão da superfície traseira para obter mais informações sobre o componente óptico fino em uma única medição. Isso é possível porque a FTPSI não requer movimento mecânico dentro da cavidade de teste para criar os interferogramas. Em vez disso, a FTPSI depende da modulação do comprimento de onda da fonte laser para permitir a medição. Cada cavidade no caminho óptico em uma aquisição FTPSI produz uma frequência de interferência única que define seu comprimento de cavidade, e isso permite uma delimitação clara e caracterização precisa da superfície. Algoritmos podem então analisar ambas as superfícies e caracterizar sua forma independentemente. (Figura 2)

FTPSI Multi-Superfície

Vamos começar com o básico. Uma TF — como mencionado acima — é usada com um interferômetro para estabelecer uma referência plana para medição de superfície ou frente de onda transmitida. Uma chapa de referência (RF) é uma superfície óptica de alta qualidade 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 na TF — superfície 1, e na peça de teste — superfícies 2 e 3 (Ver Figura 3). Nesta configuração, um resultado de superfície traseira é fornecido, mas inclui não-uniformidades do material devido ao feixe de medição passar através do material da peça de teste.

Para medições de maior precisão da superfície traseira, uma configuração de quatro superfícies pode ser usada colocando uma RF — superfície 4 — atrás da óptica de teste. Nesta configuração, a forma da superfície 3 é comparada à RF conhecida. Esta 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 ambas as configurações de cavidade de três e quatro superfícies inclui um resultado de desvio de espessura, que é um mapa de superfície completa da espessura do material através da peça de teste.

Homogeneidade do Material

A configuração de cavidade de quatro superfícies descrita acima permite a caracterização da homogeneidade do material da peça de teste, uma característica única da tecnologia FTPSI. A informação de homogeneidade pode ser obtida medindo primeiro a cavidade com a peça de teste dentro, depois removendo a peça da cavidade e realizando uma medição de "cavidade vazia", permitindo uma comparação entre a TF e a 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 tanto os componentes não lineares quanto lineares 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

Como em todos os métodos de teste interferométricos, a incerteza de medição baseia-se em vários fatores, incluindo a qualidade das ópticas de referência, estabilidade do ambiente de medição e técnicas de montagem.

Para peças com menos de 6 polegadas de diâmetro (150 mm), a forma de superfície pico-a-vale da óptica 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, tem um laser emitindo luz vermelha a um 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 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 óptica fina pode induzir tensão indesejada e causar curvatura da óptica. Diferenças de orientação podem gerar resultados de medição muito diferentes, especialmente para peças finas, devido a efeitos da gravidade. Idealmente, a peça deve ser montada na mesma configuração em que será usada em sua aplicação final para evitar diferenças inesperadas entre o projeto intencional e o desempenho real. (Figura 4.)

Resumo

A FTPSI é uma escolha convincente para fabricantes de ópticas que precisam garantir a qualidade de ópticas paralelas finas. Diferente da PSI mecânica convencional, a FTPSI pode distinguir as superfícies frontal e traseira e caracterizar suas informações de superfície correspondentes em uma única medição repetível. Graças a avanços em equipamentos e algoritmos, a FTPSI pode caracterizar forma de superfície, desvio de espessura e homogeneidade do material de ópticas com menos de 1 mm de espessura. Diante da crescente demanda por ópticas paralelas finas e dos desafios envolvidos em medi-las com precisão, a FTPSI supera as limitações dos métodos anteriores. Sua força na caracterização junto com sua facilidade de uso a tornam uma boa escolha para metrologia óptica.

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