Měření interferometry od Micro-Epsilon s rozlišením v setinách nanometrů

Článek popisuje interferometry s bílým světlem ze sortimentu firmy Micro-Epsilon, jejich princip a možnosti využití v praxi. Interferometry umožňují velmi přesná měření jemných struktur např. při výrobě polovodičových součástek nebo v přesné mechanice a strojírenství.

V oblasti výroby polovodičových součástek a v dalších nanotechnologických oborech je třeba měřit rozměry struktur s rozlišením v desítkách pikometrů. Proto má společnost Micro-Epsilon ve své nabídce optické interferometrické měřicí systémy. Nejpřesnější interferometry dosahují rozlišení v setinách nanometrů při zachování relativně velkého měřicího rozsahu a offsetu, který umožňuje měřit při větší vzdálenosti od měřeného cíle. Pro představu, průměr lidského vlasu se pohybuje v rozsahu 40 až 100 µm.

Princip měření

Micro-Epsilon se zabývá vývojem interferometrů více než deset let. Jejich princip ale není nový, je znám již od konce 19. století, kdy byl fyzikem Albertem Abrahamem Michelsonem (roku 1881) světu představen první interferometr.

V Michelsonově interferometru je světlo ze zdroje optickým děličem – polopropustnou destičkou – rozděleno do dvou větví, měřicí a referenční. Po odrazu od koutového odražeče dopadají oba paprsky zpět na polopropustnou destičku, kde interferují. Interferovaný paprsek dopadá na detektor. Podle toho, zda jsou dopadající paprsky ve stejné nebo v opačné fázi, se zesilují nebo zeslabují. Stejnou fázi mají tehdy, když jsou optické dráhy obou větví, měřicí a referenční, celočíselným násobkem vlnové délky světla. Když se liší o půl vlnové délky, mají dopadající paprsky opačnou fázi a při interferenci se vzájemně ruší. Optická dráha přitom záleží nejen na geo­metrické vzdálenosti, ale i na indexu lomu.

Albert Michelson chtěl svým interferometrem dokázat existenci světelného éteru. To se mu ale nepodařilo a dospěl k závěru, že rychlost světla je v obou ramenech interferometru stejná, bez ohledu na jejich orientaci k rotaci Země. Za své objevy získal Nobelovu cenu za fyziku.

Interferometry se v technické praxi využívají k měření vzdálenosti a délek objektů, ke stanovení indexu lomu nebo k určení jemné struktury spektrálních čar.

Laserové interferometry používané k měření vzdáleností pracují pouze s jednou vlnovou délkou a přesnost měření je dána přesností určení vlnové délky. Světlo dopadající na detektor je vysoce koherentní a při pohybu měřeného předmětu ve směru paprsku se na detektoru střídá světlo a tma.

Interferometry od firmy Micro-Epsilon však pracují na jiném principu. Jde o interferometry s bílým světlem, přičemž slovo „bílý“ v tomto případě neoznačuje barevný vjem, ale to, že nemají monochromatický zdroj světla. Interferometry Micro-Epsilon pracují s vlnovým pásmem o délce 840 nm s šířkou pásma 50 nm (a jde tedy o infračervené světlo v pásmu NIR, nikoliv o světlo bílé).

Interference světla nastává jen tehdy, když je dopadající světlo koherentní. Modulace intenzity světla interferencí je nejsilnější, když je měřený objekt v jisté vzdálenosti, která se nazývá referenční. Při pohybu od této polohy interferenční modulace postupně klesá. Detektor v tomto případě neurčuje vzdálenost mezi světlými a tmavými proužky na detektoru, ale vyhodnocuje polohu maxima a šířku korelogramu, tedy pásma s maximální interferencí. Na rozdíl od laserové interferometrie lze interferometrii v bílém světle použít nejen k měření opticky hladkých povrchů, ale i k měření povrchů opticky drsných. To je možné využít např. k proměřování výškových profilů a struktur.

Micro-Epsilon dodává interferometry s bílým světlem určené k měření vzdálenosti nebo tloušťky transparentních materiálů.

Měření vzdálenosti

V hlavě snímače interferometrů pro měření vzdálenosti IMS5400-DS a IMS5600-DS je umístěno referenční zrcátko. Systém je kompaktní a snadno přenositelný. Skládá se ze z hlavy snímače, optického vlákna a řídicí jednotky. V řídicí jednotce je zdroj světla (NIR SLED) s kolimátorem. Světlo prochází světlovodem na dělič. Část paprsku se odráží od referenčního zrcátka, část od měřeného povrchu. Odraz od povrchu měřeného objektu je potom porovnáván s odrazem od referen­čního zrcátka a po spektrální dekompozici se vyhodnocuje signál na řádkovém detektoru. Rozsah měření je 2,1 mm s ofsetem kolem 19 mm. Pro zaměření je interferometr vybaven zaměřovacím červeným laserovým zdrojem.

Interferometry IMS5400-DS a IMS5600-DS se používají pro vysoce přesná měření vzdálenosti a polohy. Umožňují stabilní měření i stupňovitých profilů. Při měření na pohybujících se objektech lze spolehlivě zaznamenat výškové rozdíly kroků, schodů nebo vybrání.

Měření tloušťky

Verze interferometru IMS5400-TH je určena k měření tloušťky transparentních materiálů. Hlava snímače v tomto případě nemá referenční zrcátko, ale porovnávají se odrazy od jednotlivých rozhraní. Měření tloušťky je absolutní, výsledkem je přímo hodnota tloušťky bez nutnosti určovat polohu jednotlivých rozhraní a z nich potom počítat tloušťku materiálu. Maximální měřitelná tloušťka vrstvy je 1,4 mm a lze ji měřit ve vzdálenosti až 70 mm. Protože systém nemá referenční zrcátko, není možné určit absolutní vzdálenost rozhraní.

Novinka – měření tloušťky několika vrstev

Nově lze změřit tloušťky několika vrstev různých transparentních materiálů s možností nastavení indexů lomu pro každou vrstvu. Využít je možné jak interferometry měřící tloušťku TH, tak interferometry měřící vzdálenost DS. Je třeba pouze použít řídicí jednotku MP (multi-peak). Rozdíl je v tom, že interferometr TH měří tloušťku až pěti vrstev absolutně ve vzdálenosti až 70 mm, kdežto DS měří vzdálenost až čtrnácti rozhraní (z nichž lze vypočítat tloušťku třinácti vrstev), ale jen v rozsahu 2,1 mm.

Měření vzdálenosti se subnanometrovým rozlišením

Novinkou je interferometr IMS5600-DS (obr. 2), určený pro vysoce přesná měření s rozlišením až 30 pm (interferometry IMS5400-DS dosahují rozlišení 1 nm). Součástí řídicí jednotky je speciální kalibrace s inteligentním vyhodnocením. Interferometr se používá pro měřicí úlohy s nejvyššími požadavky na přesnost, např. při výrobě elektroniky a polovodičových součástek. Micro-Epsilon nabízí speciální hlavice, kabely a příslušenství pro průchodky pro měření ve vakuu. Tyto senzory a kabely ne­uvolňují žádné částice a lze je použít i v ultravysokém vakuu.

Použití v praxi

V průmyslu se interferometry od firmy Micro-Epsilon používají k měření tloušťky skla či fólií a pro nejrůznější měření vzdálenosti v oblasti výroby mikroelektroniky a polovodičových součástek v čistém prostředí. Využití najdou i ve strojírenství či při výrobě přesné mechaniky. Uplatní se také tam, kde svým rozlišením už nestačí konfokální snímače confocal DT.

V poslední době se v rychle se rozvíjejícím průmyslu výroby akumulátorových baterií využijí interferometry např. k měření tloušťky povlaků elektrod, a to i mokrých vrstev.

Interferometr má rozhraní pro Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP a další, takže jej lze snadno začlenit do řídicího systému stroje nebo výrobní linky.

(MICRO-EPSILON Czech Republic, spol. s r. o.)

Obr. 1. Interferometry DS, určené k měření vzdálenosti, mají referenční zrcátko, interferometry TH, měřící tloušťku, porovnávají odrazy na rozhraní materiálu

Obr. 2. Nejvýkonnější interferometr IMS5600-DS má rozlišení 30 pm

Obr. 3. Pro větší mechanickou stabilitu měření je k dispozici speciální držák hlavy se