Конструктивные особенности микроинтерферометров МИИ

Широко известный микроинтерферометр МИИ-4, созданный по схеме академика В. П. ЛИННИКА, представляет собой развитие схемы интерферометра Майкельсона для случая системы сильного увеличения. Высокая разрешающая способность (используются микрообъективы с апертурой 0,65) в сочетании с увеличением 500 позволяет производить с помощью этого прибора измерение параметров шероховатости R_max и R_z в диапазоне 0,8 ¸ 0,1 мкм. Высокая чувствительность интерференционного метода, характеризуемая наименьшим искривлением интерференционной полосы, которое оператор может надежно фиксировать при работе на микроинтерферометре (равное 0,1 расстояния между полосами, что соответствует высоте неровности профиля 0,03 мкм), объясняет широкое применение этого прибора в практике измерений шероховатости полированных и доведенных поверхностей.

Поскольку выступы и впадины поверхности располагаются вдоль оптической оси микробъектива на некотором расстоянии, то отраженная от поверхности волна будет содержать местные искажения волнового фронта, пропорциональные высотам этих неровностей. Разность хода между выступом и впадиной приводит к тому, что в этом месте интерференционная полоса становится непрямолинейной. Поскольку эта полоса является геометрическим местом точек, равноотстоящих от некоторой заданной плоскости (фокальной плоскости микрообъектива), то ее форма воспроизведет профиль поверхности в нормальном сечении.

Масштаб преобразования профиля в двух взаимно перпендикулярных направлениях неодинаков. Так масштаб увеличения вдоль интерференционной полосы, наблюдаемой в плоскости сетки МОВ, равен линейному увеличению системы микроскопа, т.е. отношению фокусных расстояний объектива и дополнительной линзы. В большинстве микроинтерферометров это увеличение равно 33.

Минимальное расстояние между двумя соседними неровностями, разрешаемое при апертуре микрообъектива 0,65; равно 0,4 мкм. Это расстояние, наблюдаемое в микроскоп с увеличением 500, равно соответственно 0,2 мм.

Увеличение интерференционного преобразования значительно больше. Как уже указывалось выше, глаз оператора надежно фиксирует искривление интерференционной полосы, равное 0,1 расстояния между полосами, т.е. может быть измерена высота неровности профиля 0,03 мкм. Учитывая, что регулировкой интерферометра можно добиться значительной ширины интерференционных полос (до 3 мм), получаем, что увеличения по двум взаимно перпендикулярным направлениям в изображении профиля поверхности более чем в 10‑20 раз отличаются друг от друга. Этот коэффициент искажения профиля необходимо учитывать при наблюдении интерференционной картины шероховатой поверхности.

Микроинтерферометр МИИ-4 является двухлучевым двухобъективным прибором, оптическая схема которого представлена на рис. 1.

Нить лампы накаливания 17 проектируется коллектором 16 в плоскость апертурной диафрагмы 15. В фокальной плоскости объектива осветительного коллиматора 13 помещена полевая диафрагма 14, которая изображается им в бесконечности. Вышедший из проекционного объектива параллельный пучок делится разделительной пластиной 3 на две части – одна часть идет в ветвь интерферометра, содержащую микрообъектив 2 и исследуемую поверхность 1, а другая – в ветвь сравнения, состоящую из компенсатора 4, объектива 5 и референтной поверхности (эталонного зеркала) 6. Поверхность 1 и эталонное зеркало 6 находятся в фокальных плоскостях объективов 2 и 5. После отражения от исследуемой поверхности и от референтного зеркала оба параллельных пучка проходят вновь разделительную пластинку 3, интерферируют, образуя резкое изображение интерференционных полос в бесконечности, которое объективом 9 передается в фокальную плоскость окуляра 12 через диафрагму 7. При вынутом окуляре 12 можно наблюдать два изображения апертурной диафрагмы 15, которые являются зрачками выхода двух ветвей интерферометра. От взаимного расположения этих ветвей, как было показано выше, зависят форма интерференционных полос и расстояние между ними.

Конструкция микроинтерферометра МИИ-4 обеспечивает возможность изменения расстояния и взаимного расположения зрачков посредством смещения объектива ветви сравнения 0₁ с оптической оси (рис. 2). Из рисунка видно, что смещение объектива на величину а вызывает изменение расстояния между зрачками, равное 2а. Как было показано выше, если а = 0, то интерференции не наблюдается. Для получения удобной для работы видимой ширины полос, равной примерно 3 мм, необходимо иметь смещение зрачков интерферометра на 0,3 мм. Механизм смещения в микроинтерферометре МИИ-4 допускает в три раза большую величину регулирования, что обеспечивает возможность получения в три раза меньшей ширины полос. Очевидно, что при вращении объектива 0₁ вокруг первоначальной оси один из зрачков интерферометра будет описывать окружность вокруг другого, что приведет к соответствующему повороту интерференционных полос.

Микроинтерферометр снабжен встроенной фотосистемой, позволяющей при выключенном из оптической схемы зеркале 8 (см. рис. 1) получать изображение интерференционных полос и исследуемой поверхности на фотопленке (эта часть оптической системы не представлена на рис. 1).

К конструктивным особенностям микроинтерферометра МИИ-4 необходимо отнести наличие в схеме компенсатора 4, положение которого относительно оптической схемы устанавливается при юстировке прибора, необходимость комплектации микрообъективов 2 и 5 и высокую механическую стабильность прибора – сравнительно малую чувствительность к механическим вибрациям.

Компенсатор 4 введен в оптическую схему для выравнивания длины хода световых лучей в стекле в обеих ветвях интерферометра. Из схемы, представленной на рис. 1, видно, что световой пучок, направляющийся в объектив 2, после отражения от светоделительной пластины 3 проходит ее, так как светоделительный слой нанесен на пластине со стороны объектива ветви сравнения 5. Отраженный от поверхности 1 пучок также проходит сквозь пластину 3. Поэтому для выравнивания хода лучей в стекле в ветви сравнения помещается компенсатор одинаковой с пластиной 3 толщины и изготовленный из одного и того же стекла. Практически это выполняется изготовлением одной детали в два раза большего размера и разрезкой ее на две одинаковые части.

Основное условие получения контрастной интерференционной картины в микроинтерферометре может быть записано следующим образом:

где: L^//_в и L^//_в - длина хода луча в воздухе соответственно в одной и другой ветви интерферометра; L^/_ст и L^//_ст - длина хода луча в стекле в тех же ветвях интерферометра.

Для выражения воздушных промежутков, т.е. для получения å L^/_в = å L^//_в, в микроинтерферометре МИИ‑4 микрообъектив 2 (см. рис. 1) имеет юстировочную подвижку вдоль оптической оси, благодаря которой это равенство соблюдается с точностью до 0,5 мкм.

Поскольку в обеих ветвях микроинтерферометра имеются сложные микрообьективы, при изготовлении которых в серийном производстве невозможно выдержать требование изготовления линз одинаковых по толщине и из одной и той же плавки, то неизбежно нарушается равенство длин хода световых лучей в стекле. Эта разность хода может в небольших пределах компенсироваться разворотом компенсатора 4 (см. рис. 1) вокруг оси, проходящей через его середину (перпендикулярно плоскости чертежа на рис. 1) Изменение угла падения света i на поверхность компенсатора позволяет либо увеличить (при i > 45^о), либо уменьшить (при i < 45^о) количество стекла в ветви интерферометра. Как было показано В. А. Коваль, приращение толщины стекла Dl при вращении компенсатора толщиной h определяется зависимостью

При i = 45^o, n = 1,5163 имеем

При наклоне пластинки толщиной h = 11 мм на угол Di = 1 происходит изменение разности толщины стекла, равное 1,1 мкм.

Разность хода в стекле в обеих ветвях интерферометра зависит от допусков на толщины всех линз объективов. Поскольку компенсатор изготовлен из стекла К8 (n₁ = 1,5163), то для компенсации толщины Dl₂ любого сорта стекла этим стеклом необходимо выполнять требование

(1)

На микроинтерферометре МИИ-4 можно производить измерение как в монохроматическом свете (при включенных интерференционных светофильтрах), так и в белом свете. Поэтому компенсатор должен быть рассчитан таким образом, чтобы скомпенсировать разность хода в стекле для всех длин волн видимого участка спектра. В этом случае формула (1) должна учитывать среднее дисперсии для каждого из сортов стекол

Поскольку световые лучи проходят через микрообъективы дважды, расчет разворота компенсатора должен производиться с учетом компенсации разности хода 2Dl.

Одним из наиболее сильнодействующих факторов, влияющих на точность измерения параметров шероховатости, является кривизна интерференционных полос. Анализ причин, вызывающих искривление полос, показал, что основной причиной астигматизма полос является необходимость разворота компенсатора. Даже значительное ужесточение допусков на толщины линз микрообъективов (допуск на толщину ± 0,01 мм) требует разворота компенсатора на угол ± 2⁰, что в свою очередь вызывает искривление интерференционных полос на 0,5 полосы. Следовательно, одним ужесточением допусков на изготовление линзы нельзя решить поставленной задачи и примерно в пять раз уменьшить кривизну полос. В качестве выхода из этого положения объективы, входящие в комплект интерферометра, подбираются на специальном приспособлении по одинаковой кривизне интерференционных полос при их ориентации в поле зрения прибора, как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Причем положение конденсатора должно быть для данной пары также одинаковым. Такой комплектацией можно снизить остаточный астигматизм до 0,1 полосы. В этом случае интерференционные полосы при вертикальном их расположении будут иметь кривизну, равную 0.

Особенностью конструкции микроинтерферометра МИИ-4 является его относительно высокая жесткость и невосприимчивость к внешним вибрациям. Это объясняется тем, что, во-первых, плоскость стола сопряжена с фокальной плоскостью микрообъектива и не требуется большой перефокусировки при переходе от одной исследуемой детали ко второй и, во-вторых, отсутствует механизм связи визуального тубуса с интерференционной головкой. Микроинтерферометр МИИ-4 позволяет производить измерения с помощью МОВ, причем касание тубуса и окуляра не вызывают изменений в интерференционной картине. Естественно, полностью нечувствительную к вибрациям конструкцию микроинтерферометра создать невозможно и поэтому, с целью погашения внешних воздействий, обычно вводят дополнительную амортизацию, например, в виде листа губчатой резины, которой подкладывают под микроинтерферометр.

Измерение высоты неровностей, толщины тонкой плени и высоты микроэлемента, полученного при изготовлении полупроводниковых микросхем.

Измерение на глаз

В результате правильной настройки микроинтерферометра в его поле зрения видны одновременно испытуемая поверхность и интерференционные полосы, изогнутые в место, где проходят уступ или царапина. Причем интерференционные полосы ориентируют перпендикулярно к направлению уступа.

Для определения глубины уступа царапины или уступа следует на глаз определить, на какую долю интервала между полосами или на сколько интервалов изгибается полоса.

Глубина уступа определяется по следующей формуле:

При работе с белым светом

.

При работе с монохроматическим светом:

где: t— глубина канавки в микронах,

ΔN — величина изгиба полосы в долях интервала,

λ —длина волны света указанная в аттестате.

а) Измерение величины интервала между полосами с помощью винтового окулярного микрометра

При работе с белым светом все измерения производятся по двум черным полосам (максимальной интенсивности). Величина интервала между полосами h₂ выражается числом делений барабанчика окулярного микрометра. Для большей точности измерения наводку нити перекрестия лучше всего производить по середине, а не по краю полосы.

На рис. 3 представлена идеализированная интерференционная.

Рис. 3.

Определение h₁ производится по шкалам винтового окулярного микрометра при совмещении одной из нитей перекрестия подвижной сетки с серединой полосы; затем совмещают эту же нить перекрестия с серединой следующей полосы или в случае монохроматического света, какой-либо другой полосы и вычисляют разницу результатов; при этом необходимо заметить число интервалов между полосами n.

в) Вычисление высоты неровностей

При работе в белом свете искривление в одну интерференционную полосу соответствует высоте неровности на испытуемой поверхности, равной 0,27 микрон. Тогда измеренная высота неровности t вычисляется по формуле:

t — высота неровностей,

h₁ — величина интервала между полосами,

h₂ — величина изгиба полос,

n — число интервалов между полосами.