CALVO, Roberto (Avda. Otaola, 20Eibar, Guipuzcoa, E-20600, ES)
| REIVINDICACIONES 1. - Dispositivo para la corrección del error de Abbe en sistemas interferométricos de metrología de superficies caracterizado porque comprende medios para medir el desplazamiento de un objetivo (21) respecto a una superficie (25) compuestos por al menos dos sensores (22) de desplazamiento solidarios al objetivo a ambos lados de éste capaces de medir el desplazamiento relativo del objetivo (21) y la muestra (25) en cuatro puntos y medios para calcular el desplazamiento medio a partir de dichas medidas en los cuatro puntos. 2. - Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque los sensores son capacitativos o inductivos. 3.- Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque los sensores están basados en interferometría láser . 4.- Dispositivo según la reivindicación 3 caracterizado porque incorpora dos retroreflectores solidarios con el objetivo y situados en el plano de coherencia o enfoque de dicho objetivo, y al menos dos interferómetros solidarios con la superficie (22) y adaptados para emitir cuatro haces láser en dirección a los retrorreflectores . |
D E S C R I P C I O N
CAMPO DE LA INVENCION
La presente invención se refiere a un dispositivo para medir el desplazamiento relativo de un objetivo respecto a una muestra sin error de Abbe. Se refiere también a la aplicación de dicho dispositivo a la microscopía óptica, tanto a la convencional como las técnicas ópticas para la obtención de topologías 3D basadas en un desplazamiento lineal relativo entre la lente y la muestra.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El error de Abbe es una de las fuentes de error características en todos los sistemas de medida aplicados a metrología dimensional, que funcionan tomando medidas para distintas distancias (desplazamiento) entre el objetivo y la muestra. El error de Abbe tiene como origen el hecho de que, en general, los elementos de medida no pueden calcular realmente los desplazamientos en el punto en que se quiere medir sino en un punto más o menos próximo. En la figura 1 se puede ver un tipo de sistema óptico (denominado interferómetro de luz blanca) basado en un interferómetro Michelson 2 acoplado a un objetivo de microscopía 8 , con una escala de medida que mide el desplazamiento vertical del conjunto 4 . El sistema se complementa con una fuente de luz blanca 1 de ancho de espectro limitado, filtro espacial y colimador 5, filtros adicionales 6 y diafragmas 7 y un dispositivo de tratamiento de la imagen 3. Este tipo de sistemas es una de las soluciones empleadas en la medida de la topografía de superficies (obtención de coordenadas espaciales 3D de cada punto de la superficie) de la muestra 9 estando la incertidumbre de la medida en la coordenada perpendicular a la superficie directamente ligada a la incertidumbre de la medida del desplazamiento del punto de enfoque sobre la muestra.
El principio de Abbe (Ernst Abbe - 1890) indica: "El instrumento de medida siempre debe ser construido de tal forma que la distancia a medir esté sobre la prolongación de la línea recta de la escala de medida". Por lo tanto, cuanto más alejada esta la escala de medida 4 respecto a la distancia que se quiere medir, es decir el desplazamiento del punto de enfoque respecto a la muestra 9, mayor será la incertidumbre de la medida.
Para solucionar este problema, en los sistemas que requieren incertidumbres muy reducidas, se requieren soluciones que buscan bien acercar el elemento de medida al punto de medida, bien caracterizar la contribuciones al error de Abbe para realizar correcciones de la medida final o bien integrar elementos de medida más complejos en geometrías alternativas que limitan o eliminan este error .
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
La invención tiene por objeto paliar los problemas técnicos citados en el apartado anterior. Para ello, propone un dispositivo para la corrección del error de Abbe en sistemas interferométricos de metrología de superficies que comprende medios para medir el desplazamiento de un objetivo respecto a una superficie compuestos por al menos dos sensores de desplazamiento solidarios al objetivo a ambos lados de éste capaces de medir el desplazamiento relativo del objetivo y la muestra en cuatro puntos y medios para calcular el desplazamiento medio a partir de dichas medidas en los cuatro puntos. Los sensores pueden ser capacitativos, inductivos o estar basados en interferometría láser. En este último caso, el dispositivo incorpora preferentemente dos retroreflectores solidarios con el objetivo y situados en el plano de coherencia o enfoque de dicho objetivo, y al menos dos interferómetros solidarios con la superficie y adaptados para emitir cuatro haces láser en dirección a los retrorreflectores .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la siguiente descripción de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo siguiente :
La figura 1 es un ejemplo de interferómetro con sensor del desplazamiento de acuerdo con el estado de la técnica .
La figura 2 es una vista lateral de un ejemplo de realización de la invención donde puede verse el recorrido de los haces láser. La figura 3 es el mismo ejemplo de realización de la figura 2 visto desde la parte superior.
La figura 4 es una vista frontal más detallada de la configuración anterior.
La figura 5 es una vista lateral correspondiente a la figura 4 y una vista superior de los puntos de reflexión de la configuración.
La figura 6 es una vista de una realización alternativa que emplea "cube corners" (retrorreflector basado en tres espejos montados en tres planos perpendiculares entre si) en lugar de espejos planos.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
A continuación se describen varias configuraciones del dispositivo objeto de la invención.
La solución para la corrección del error de Abbe se basa en el empleo de interferometría láser aunque también podría sustituirse ésta por medidas, con una misma configuración geométrica, mediante técnicas inductivas o capacitivas dependiendo del rango y de la incertidumbre objetivo. Sin embargo, la técnica que combina cualquier rango de desplazamiento con muy elevada resolución y precisión es la interferométrica que es la que aquí se describe como muestra de solución con carácter general.
Un sistema interferométrico de medida de desplazamientos usa una técnica incrernental (no proporciona posiciones absolutas) y consta de una óptica (figuras 2 y 3) denominada interferómetro 14 y un espejo retrorreflector Como haz de referencia se emplea un haz láser generado desde un cabezal 11 que es dirigido por espejos 12 y divisores de haz 16 a los interferómetros 14 desde los que parte del haz se envía a los retrorreflectores 15 donde es reflejado de vuelta a los interferómetros . Éstos combinan una parte del haz emitido con el reflejado y la combinación es enviada a un fotorreceptor 13.
Cuando el retrorreflector es desplazado se produce en el haz reflejado un desplazamiento de frecuencias por efecto Doppler que provoca la aparición de franjas de interferencia en el fotorreceptor . Una electrónica de conteo de franjas y de medida de fase de las mismas permite obtener la medida del desplazamiento del mismo.
Esta descripción del sistema interferométrico corresponde fundamentalmente a la arquitectura de un interferómetro de tipo homodino. Configuraciones más complejas del mismo, empleando por ejemplo 2 frecuencias polarizadas en el haz láser permiten desarrollar soluciones heterodinas. Además, dependiendo de las trayectorias de los haces entre interferómetro y retrorreflector pueden generarse varios caminos entre ambos, por lo que se dispone de sistemas con un haz de ida y otro de vuelta entre ambos o dos (doble paso) o más trayectos entre ambos. También se dispone de configuraciones de medida diferencial si el retroreflector de referencia en lugar de ser solidario al inter erómetro se sitúa en posiciones externas.
La solución planteada en este ejemplo particular de la invención emplea cuatro trayectorias de haz láser (pueden añadirse también más trayectorias como información redundante) para la detección de cuatro puntos de referencia (figura 5) . Estos cuatro caminos pueden estar implementados mediante cuatro interferómetros y cuatro retro-reflectores, o bien mediante dos interferómetros de doble paso con dos retrorreflectores planos o dos interferómetros lineales con dos retrorreflectores del tipo ojo de gato o "cube corners" (figura 6) . En las figuras 2 y 3 se representa la solución basada en las configuraciones con dos interferómetros y con espejos planos .
El recorrido de los haces del interferómetro láser es el que se recoge en los diagramas de las figuras 4 y 5. Se integran como se ha indicado dos espejos y dos interferómetros de forma que están situados a ambos lados del objetivo o interferómetro que enfoca el punto de interés en la muestra. En la configuración representada en ambas figuras se considera que el desplazamiento se realiza por parte del objetivo en dirección a la muestra, siendo esta configuración la que permite una mayor reducción del error de Abbe frente a un desplazamiento de la muestra.
Los dos espejos planos se fijan con elevada rigidez y estabilidad al soporte del objetivo buscando la máxima coplanalidad entre ellos de forma que los puntos de reflexión del haz en ambos este situada a la altura del punto de enfoque (o plano de coherencia si se trata de un interferómetro de luz blanca) del objetivo. Los dos espejos son solidarios con el objetivo y por lo tanto se desplazan con el a lo largo del rango de medida. Los interferómetros láser son, como se ha indicado, de doble paso del haz, por lo que err.iten dos haces independientes. Los interferómetros deben ser rígidamente solidarios a la muestra a medir. La posición del interferómetro se ajusta de forma que el centro de los dos haces corresponde también al punto de enfoque.
En las figuras 4 y 5 se muestra el posicionamiento de los haces de los interferómetros 22, reflejados en los retroreflectores 24 respecto del plano de coherencia o punto de enfoque 26 sobre la muestra 25. A la hora de entender el efecto que la distribución de haces y ópticas tienen sobre la medida debe considerarse que cada interferómetro láser de óptica plana realiza ópticamente un promediado del recorrido de los dos haces que genera. Es decir, automáticamente compensa los efectos de cabeceo del desplazamiento del objetivo o interferómetro 21, 22, 23. Además un promediado por software de las medidas adquiridas de cada interferómetro proporciona la compensación los efectos de ángulos de guiñada del desplazamiento del objetivo o interferómetro . Por lo tanto, los dos efectos combinados proporcionan directamente la medida del desplazamiento, teóricamente real, del punto de enfoque del objetivo o interferómetro independientemente de los giros de cabeceo y guiñada que puedan producirse a lo largo del desplazamiento relativo entre objetivo y muestra. En una realización particular del dispositivo de la invención, se utiliza sistema interferométrico de óptica plana de doble paso heterodino, que emplea un haz doble con dos frecuencias fl (frecuencia de referencia) y f2 (frecuencia de medida) . La frecuencia f2 se envía en dos pasos al espejo plano que se desplaza respecto al interferómetro . En el primer paso el efecto Doppler hará que un desplazamiento del espejo produzca una variación de frecuencia Af 5 en el haz reflejado que tendrá una frecuencia f2 ÷ ñf a . El haz reflejado en el primer paso se envía de nuevo al espejo plano por el segundo camino separado una determinada distancia respecto al primero. El desplazamiento de este segundo punto de reflexión provoca un segundo desplazamiento Doppler Af por lo que el haz finalmente reflejado llegara al interferómetro con una frecuencia que será f2 + Af a + Δίβ. La configuración del haz de referencia con el haz reflejado será combinado en el interferómetro creando el patrón de interferencias correspondiente a fl - (f2 + Af a + Δ¾) .
Un hardware con capacidad de obtener desplazamientos a partir de las señales interferidas recibe por una parte la interferencia fl - f2 desde el cabezal láser y por otra la interferencia generada en el interferómetro, es decir, fl - (f2 + Af a + ñft,) . Restando ambas interferencias el hardware obtiene Af a + Af- D .
Integrando, también por hardware, la suma de ambas variaciones de interferencia se obtiene ΔΧ = ΔΧ 2 + ΔΧ 2 que es el valor de desplazamiento suma del desplazamiento del espejo en el haz del primer paso mas el desplazamiento del espejo en el haz en el segundo paso. Dividiendo por dos, el valor de desplazamiento (ΔΧ/2) se obtiene el desplazamiento del punto intermedio entre los dos haces y que denominaremos ΔΧ . En el segundo conjunto formado por interferómetro y espejo plano se obtiene de la misma forma el valor del desplazamiento del punto intermedio entre sus dos haces ΔΧ . Si se considera que el punto de enfoque esta situado entre los dos centros de los haces de los interferómetros (ver figura 5 derecha) la operación que promedie (ΔΧα + ΔΧβ /2) proporcionará el desplazamiento real del punto de enfoque. Si el punto de enfoque no se encuentra en el centro sino desplazado una determinada distancia D respecto al primer interferómetro, siendo K la distancia entre los interferómetros se aplicará ΔΧα+ ( (ΔΧβ-ΔΧ /Κ) *D) para calcular el desplazamiento de punto de enfoque.
Una configuración basada en sensores inductivos o capacitivos sin contacto es una alternativa al empleo de interferometria para rangos de medida reducidos (estos sensores reducen su incertidumbre proporcionalmente al rango de medida) . Los sensores sin contacto permiten determinar a que distancia esta una superficie metálica respecto a la superficie captadora del sensor sin que exista contacto físico entre el sensor y la superficie. En el caso de uno capacitivo, por ejemplo, el condensador que se forma entre la superficie metálica y la superficie captadora cambia de valor con la distancia. Midiendo el tiempo de carga del condensador formado por ambas superficies se obtiene la medida de la distancia. Las técnicas inductivas y capacitivas sin contacto son por lo tanto similares a las que emplean haces láser en tanto que no hay fuerzas de interacción entre la parte fija y la parte móvil ocasionadas por la medida. La configuración con estos dispositivos sería similar a la interferometria con espejos planos. En lugar de espejos planos se dispondría de superficies metálicas planas conectadas a un potencial común de referencia. Los sensores capacitivos o inductivos se fijarían de forma solidaria a la muestra, situados en las posiciones de los haces de la figura 5 y separados de las superficies metálica la distancia definida por el rango de medida proporcionado por el sensor. Considerando que los desplazamientos medidos por los cuatro sensores son respectivamente ΔΧι, ΔΧ 2 , ΔΧ 3 , ΔΧ 4 , para una disposición de los sensores equidistante del punto de enfoque (tal y como la que se refleja en la figura 5) el desplazamiento del mismo correspondería a (ΔΧι + ΔΧ 2+ ΔΧ 3+ ΔΧ4) / . Posiciones alternativas no equidistantes requerirán de cálculos de proporcionalidad geométrica.
El dispositivo encuentra una aplicación práctica en la reducción del error de A be en la medida del desplazamiento del punto de enfoque en la dirección del eje axial en sistemas que emplean objetivos e interferómetros de microscopía.
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