Menguasai Optik Tipis dan Sejajar: Atasi Jebakan Pengukuran dengan Presisi

Dorongan oleh permintaan akan produk konsumen dan perangkat semikonduktor yang semakin kecil, produsen membutuhkan optik datar tipis untuk berbagai aplikasi. Ini menempatkan tanggung jawab pada produsen material dan optik untuk memastikan kaca datar dan bebas dari deformasi material yang dapat menyebabkan distorsi dan mempengaruhi fungsionalitas akhir. Ini menempatkan beban besar pada alat metrologi yang perlu mengukur dan memastikan keseragaman optik datar tipis, sehingga membuktikan bahwa mereka layak untuk tujuannya.

Secara inherit, pengukuran permukaan optik sejajar tipis dapat sangat membebani. Optik tersebut ditandai oleh fakta bahwa mereka lebih tebal dari beberapa milimeter, dan ini berarti bahwa permukaan depan dan belakang sangat dekat satu sama lain. Karena hal ini, interferometri geser fase mekanis standar (PSI) kesulitan untuk membedakan antara permukaan tersebut.

Solusi yang lebih canggih adalah interferometri geser fase transformasi Fourier (FTPSI), yang memungkinkan karakterisasi mudah permukaan depan dan belakang, variasi ketebalan optik, dan homogenitas material kaca datar sejajar tipis. FTPSI memungkinkan untuk membedakan antara permukaan depan dan belakang dan memeriksa keduanya dalam satu pengukuran, bahkan jika mereka lebih tipis dari satu milimeter.

Mengapa FTPSI?

Untuk memahami mengapa FTPSI adalah teknik yang diinginkan untuk mengukur optik sejajar tipis, kita perlu melihat lebih dekat teknik pengukuran tradisional alternatif dan melihat di mana mereka gagal.

Jika kita mempertimbangkan PSI yang bekerja dengan melewatkan sinar cahaya melalui optik referensi ideal (disebut transmisi datar [TF]), ke bagian yang diuji, kita melihat bahwa teknik ini tidak dapat membedakan antara permukaan depan dan belakang optik sejajar tipis. Ketika diatur dengan benar, TF dan bagian yang diuji menciptakan pola interferensi, direkam sebagai interferogram. Perangkat lunak metrologi menganalisis variasi tinggi yang dihasilkan oleh geser fase dan merekonstruksi gelombang permukaan, yang mewakili perbedaan tinggi antara TF dan bagian uji.

Ketika permukaan depan bagian sejajar tipis diatur, refleksi kedua biasanya dikembalikan ke interferometer dari permukaan belakang. Ini menghasilkan pola rintang yang kompleks yang dibuat oleh banyak interferogram yang tumpang tindih yang tidak dapat dianalisis secara akurat menggunakan PSI. ( Gambar 1)

Tindakan dapat diambil untuk meningkatkan situasi, tetapi mereka memakan waktu dan menambahkan langkah yang tidak perlu dan potencial merusak ke dalam proses keseluruhan. Ini termasuk menerapkan cat hitam pada permukaan belakang untuk memadamkan refleksinya, mewarnai dengan markir berwarna gelap, atau menyebarkan jelly petroleum pada permukaan.

Metode FTPSI menghilangkan kebutuhan untuk memanipulasi secara manual permukaan belakang optik tipis untuk melakukan pengukuran yang bermakna dan akurat. Sebaliknya, FTPSI menggunakan refleksi dari permukaan belakang untuk mendapatkan lebih banyak informasi tentang komponen optik tipis dalam satu pengukuran. Ini memungkinkan karena FTPSI tidak memerlukan gerakan mekanis dalam ruang uji untuk menciptakan interferogram. Sebaliknya, FTPSI bergantung pada modulasi panjang gelombang sumber laser untuk mengaktifkan pengukuran. Setiap ruang dalam jalur optik dalam akuisisi FTPSI menghasilkan frekuensi interferensi unik yang menentukan panjang ruangnya, dan ini memungkinkan pemisahan yang jelas dan karakterisasi yang akurat dari permukaan. Algoritma kemudian dapat menganalisis kedua permukaan dan memeriksa bentuknya secara independen. (Gambar 2)

Multi-Surface FTPSI

Mari kita mulai dengan dasar-dasar. TF — seperti disebutkan di atas — digunakan dengan interferometer untuk mendatangkan referensi datar untuk pengukuran permukaan atau gelombang transmisi. Datar referensi (RF) adalah permukaan optik berkualitas tinggi yang digunakan untuk mengarahkan sinar pengukuran dengan efek minimal pada gelombang keseluruhan.

Pengukuran FTPSI paling sederhana adalah konfigurasi tiga permukaan yang terdiri dari TF — permukaan 1 , dan bagian uji — permukaan 2 dan 3 (Lihat Gambar 3). Dalam konfigurasi ini, hasil permukaan belakang disediakan tetapi termasuk nonuniformitas material karena sinar pengukuran melewati material bagian uji.

Untuk pengukuran yang lebih akurat dari permukaan belakang, konfigurasi empat permukaan dapat digunakan dengan menempatkan RF — permukaan 4 — di belakang optik uji. Dalam konfigurasi ini, bentuk permukaan 3 dibandingkan dengan RF yang diketahui. Konfigurasi ini menciptakan ruang uji kedua antara permukaan belakang dan RF dan menyediakan pengukuran langsung dari permukaan belakang tanpa ketidakpastian material dalam bagian.

Satu pengukuran FTPSI dengan konfigurasi ruang tiga dan empat permukaan termasuk hasil deviasi ketebalan, yang adalah peta penuh permukaan dari ketebalan material di seluruh bagian uji.

Homogenitas Material

Konfigurasi ruang empat permukaan yang dijelaskan di atas memungkinkan karakterisasi homogenitas material bagian uji, fitur unik dari teknologi FTPSI. Informasi homogenitas dapat diperoleh dengan pertama kali mengukur ruang dengan bagian uji di dalamnya, kemudian menghapus bagian dari ruang dan melakukan pengukuran “ruang kosong”, yang memungkinkan perbandingan antara TF dan RF.

Berbeda dengan teknik pengukuran homogenitas lain yang hanya menyediakan komponen nonlinier, hasil FTPSI mempertahankan ruang yang tetap dan, oleh karena itu, dapat menyediakan kedua komponen nonlinier dan linier dari homogenitas material. Bagian linier sangat penting untuk aplikasi yang sensitif terhadap arah sinar, karena hasilnya dapat digunakan untuk memprediksi bagaimana simpang sinar saat melewati bagian uji.

Akurasi

Seperti semua metode pengujian interferometrik, ketidakpastian pengukuran didasarkan pada sejumlah faktor termasuk kualitas optik referensi, stabilitas lingkungan pengukuran, dan teknik pemasangan.

Untuk bagian dengan diameter kurang dari 6 inci (150 mm) bentuk permukaan puncak-ke-lembah optik referensi dapat berurutan 2,5% dari panjang gelombang cahaya yang digunakan untuk membuat pengukuran — λ/40. Jika sistem, misalnya, memiliki laser yang memancarkan cahaya merah dengan panjang gelombang 633 nm, ini sesuai dengan sekitar 16 nm. Dalam sebagian besar kasus ini memungkinkan hasil pengukuran yang dihasilkan tetap dalam bandwidth toleransi untuk aplikasi kaca tipis.

Bagaimana bagian dipegang dalam ruang uji mungkin merupakan faktor paling kritikal saat mengukur optik tipis, lebih khususnya teknik pemasangan dan orientasi pemasangan. Cukup mengompres optik tipis dapat menimbulkan stres yang tidak diinginkan dan menyebabkan optik melengkung. Perbedaan orientasi dapat menghasilkan hasil pengukuran yang sangat berbeda, terutama untuk bagian tipis, karena efek gravitasi. Secara ideal, bagian harus dipasang dalam konfigurasi yang sama di mana akan digunakan dalam aplikasi akhir untuk menghindari perbedaan yang tidak terduga antara niat desain dan performa aktual. (Gambar 4.)

Ringkasan

FTPSI adalah pilihan yang menarik untuk produsen optik yang perlu memastikan kualitas optik sejajar tipis. Berbeda dengan PSI mekanis konvensional, FTPSI dapat membedakan permukaan depan dan belakang dan memeriksa informasi permukaan yang sesuai dalam satu pengukuran yang dapat diulang. Berkat kemajuan dalam baik peralatan maupun algoritma, FTPSI dapat memeriksa bentuk permukaan, deviasi ketebalan, dan homogenitas material optik yang lebih tipis dari 1-mm. Dengan menghadapi permintaan yang meningkat untuk optik sejajar tipis, dan tantangan yang terlibat dalam mengukur optik tersebut secara akurat, FTPSI mengatasi keterbatasan metode sebelumnya. Kekuatannya dalam karakterisasi bersama dengan kemudahan penggunaannya membuatnya pilihan yang baik untuk metrologi optik.

Artikel ini ditulis oleh Dan Musinski, Wakil Presiden Pengembangan Bisnis Strategis, Zygo Corporation (Middlefield, CT). Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi sini .