Dominando la Óptica Paralela Delgada: Superar los Escollos de Medición con Precisión

Impulsados por la demanda de productos de consumo y dispositivos semiconductores cada vez más pequeños, los fabricantes requieren ópticas planas delgadas para una variedad de aplicaciones. Esto recae en los fabricantes de materiales y ópticas la responsabilidad de asegurar que el vidrio sea plano y libre de deformaciones materiales que puedan causar distorsión y afectar la funcionalidad del uso final. Esto coloca una enorme carga en las herramientas de metrología que necesitan medir y confirmar la uniformidad de las ópticas planas delgadas, demostrando así que son aptas para su propósito.

Inherentemente, la medición de superficies ópticas paralelas delgadas puede ser extremadamente difícil. Estas ópticas se caracterizan por tener menos de unos pocos milímetros de espesor, lo que significa que las superficies frontal y posterior están muy cerca. Debido a esto, la interferometría de desplazamiento de fase mecánica (PSI) estándar encuentra difícil discernir entre las superficies.

Una solución más avanzada es la interferometría de desplazamiento de fase por transformada de Fourier (FTPSI), que permite la fácil caracterización de la superficie frontal y posterior, la variación de espesor óptico y la homogeneidad del material de vidrio plano paralelo delgado. FTPSI hace posible distinguir entre las superficies frontal y posterior y caracterizar la calidad de ambas en una sola medición, incluso si tienen menos de un milímetro de espesor.

¿Por qué FTPSI?

Para entender por qué FTPSI es la técnica preferida para medir ópticas paralelas delgadas, necesitamos examinar más de cerca las técnicas de medición tradicionales alternativas y ver dónde fallan.

Si consideramos PSI, que funciona haciendo pasar un haz de luz a través de una óptica de referencia ideal (llamada plano de transmisión [TF]), hacia la pieza bajo prueba, vemos que esta técnica no puede distinguir entre las superficies frontal y posterior de una óptica paralela delgada. Cuando están correctamente alineados, el TF y la pieza bajo prueba crean un patrón de interferencia, registrado como un interferograma. El software de metrología analiza las variaciones de altura producidas por los desplazamientos de fase y reconstruye el frente de onda de la superficie, que representa la diferencia de altura entre el TF y la pieza de prueba.

Cuando se alinea la superficie frontal de una pieza delgada y paralela, típicamente se devuelve una segunda reflexión al interferómetro desde la superficie posterior. Esto resulta en un patrón de franjas complejo creado por múltiples interferogramas superpuestos que no pueden analizarse con precisión usando PSI. (Figura 1)

Existen acciones que pueden tomarse para mejorar la situación, pero consumen tiempo y añaden pasos innecesarios y potencialmente dañinos al proceso general. Estas incluyen aplicar pintura negra a la superficie posterior para extinguir su reflexión, colorear con un marcador de color oscuro, o extender vaselina en la superficie.

El método FTPSI elimina la necesidad de manipular manualmente la superficie posterior de la óptica delgada para realizar mediciones significativas y precisas. En su lugar, FTPSI utiliza la reflexión de la superficie posterior para obtener más información sobre el componente óptico delgado en una sola medición. Esto es posible porque FTPSI no requiere movimiento mecánico dentro de la cavidad de prueba para crear los interferogramas. En su lugar, FTPSI se basa en la modulación de la longitud de onda de la fuente láser para permitir la medición. Cada cavidad en el camino óptico en una adquisición FTPSI produce una frecuencia de interferencia única que define su longitud de cavidad, y esto permite una delimitación clara y caracterización precisa de la superficie. Los algoritmos pueden entonces analizar ambas superficies y caracterizar su forma independientemente. (Figura 2)

FTPSI Multi-Superficie

Comencemos con lo básico. Un TF — como se mencionó — se usa con un interferómetro para establecer una referencia plana para una medición de superficie o frente de onda transmitido. Un plano de referencia (RF) es una superficie óptica de alta calidad que se usa para dirigir un haz de medición con efecto mínimo en el frente de onda general.

La medición FTPSI más simple es una configuración de tres superficies que consiste en el TF — superficie 1, y la pieza de prueba — superficies 2 y 3 (Ver Figura 3). En esta configuración, se proporciona un resultado de la superficie posterior pero incluye no uniformidades del material debido a que el haz de medición pasa a través del material de la pieza de prueba.

Para mediciones de mayor precisión de la superficie posterior, se puede usar una configuración de cuatro superficies colocando un RF — superficie 4 — detrás de la óptica de prueba. En esta configuración, la forma de la superficie 3 se compara con el RF conocido. Esta configuración crea una segunda cavidad de prueba entre la superficie posterior y el RF y proporciona una medición directa de la superficie posterior sin la incertidumbre del material en la pieza.

Una sola medición FTPSI con ambas configuraciones de cavidad de tres y cuatro superficies incluye un resultado de desviación de espesor, que es un mapa de superficie completa del espesor del material a través de la pieza de prueba.

Homogeneidad del Material

La configuración de cavidad de cuatro superficies descrita anteriormente permite la caracterización de la homogeneidad del material de la pieza de prueba, una característica única de la tecnología FTPSI. La información de homogeneidad puede obtenerse midiendo primero la cavidad con la pieza de prueba dentro, luego retirando la pieza de la cavidad y realizando una medición de "cavidad vacía", permitiendo una comparación entre el TF y el RF.

A diferencia de otras técnicas de medición de homogeneidad que solo proporcionan el componente no lineal, un resultado FTPSI mantiene una cavidad fija y, por lo tanto, puede proporcionar tanto los componentes no lineales como lineales de la homogeneidad del material. La porción lineal es crítica para aplicaciones sensibles a la dirección del haz, ya que el resultado puede usarse para predecir cómo se desvía un haz al pasar a través de la pieza de prueba.

Precisión

Como con todos los métodos de prueba interferométricos, la incertidumbre de medición se basa en varios factores, incluyendo la calidad de las ópticas de referencia, la estabilidad del entorno de medición y las técnicas de montaje.

Para piezas de menos de 6 pulgadas de diámetro (150 mm), la forma de superficie pico-a-valle de la óptica de referencia puede ser del orden del 2,5% de la longitud de onda de la luz usada para la medición — λ/40. Si el sistema, por ejemplo, tiene un láser que emite luz roja a una longitud de onda de 633 nm, esto corresponde aproximadamente a 16 nm. En la mayoría de los casos, esto permite que la medición resultante esté bien dentro de la banda de tolerancia para aplicaciones de vidrio delgado.

Cómo se sujeta la pieza en la cavidad de prueba es probablemente el factor más crítico al medir ópticas delgadas, más específicamente la técnica de montaje y la orientación. Simplemente sujetar una óptica delgada puede inducir tensión no deseada y causar que la óptica se doble. Las diferencias de orientación pueden producir resultados de medición muy diferentes, especialmente para piezas delgadas, debido a los efectos de la gravedad. Idealmente, la pieza debe montarse en la misma configuración en que se usará en su aplicación final para evitar diferencias inesperadas entre la intención del diseño y el rendimiento real. (Figura 4.)

Resumen

FTPSI es una opción convincente para los fabricantes de ópticas que necesitan asegurar la calidad de ópticas paralelas delgadas. A diferencia de la PSI mecánica convencional, FTPSI puede distinguir las superficies frontal y posterior y caracterizar su información de superficie correspondiente en una sola medición repetible. Gracias a los avances en equipos y algoritmos, FTPSI puede caracterizar la forma de superficie, desviación de espesor y homogeneidad del material de ópticas de menos de 1 mm de espesor. Ante la creciente demanda de ópticas paralelas delgadas y los desafíos que implica medirlas con precisión, FTPSI supera las limitaciones de métodos anteriores. Su fortaleza en la caracterización junto con su facilidad de uso la convierten en una buena opción para la metrología óptica.

Este artículo fue escrito por Dan Musinski, Vicepresidente de Desarrollo Estratégico de Negocios, Zygo Corporation (Middlefield, CT). Para más información, visite aquí .