3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ С ПОМОЩЬЮ

ИНТЕРФЕРОМЕТРА ЛИННИКА

Цель работы: приобретение навыков определения глубины штриха и толщины полупроводниковой пленки.

Принадлежности: микроинтерферометр МИИ-4, исследуемые образцы.

Для изучения чистоты обрабатываемой поверхности и измерения глубины неровностей на ней, используя явление интерференции света, Линником был предложен микроинтерферометр, оптическая схема которого изображена на рис.1, а.

Пучок лучей света (1) падает на полупрозрачную пластинку Р и разделяются ею на два, один из которых (2) падает на исследуемую поверхность П, а второй (3) - на гладкое эталонное зеркало 3. После отражения эти лучи вновь соединяются на пластинке Р и выходят из интерферометра вертикально вниз (4). Образующая в результате интерференции картина рассматривается в окуляр О. Для удобства наблюдения направление интерферирующих лучей изменяется зеркальцем З₁. Луч (2) проходит пластинку Р дважды (вниз и вверх). Для того, чтобы устранить возникшую при этом разность хода на пути горизонтального луча (3) устанавливается стеклянная пластинка К параллельно Р и такой же толщины. Следует учесть, что на рисунке показан только ход центральных лучей от источника. Разность хода в этой схеме, а, следовательно, и вид интерференционной картины обусловлены неравностью плеч интерферометра и зависит от чистоты поверхностей П и З и от углов, которые образуют падающие лучи с этими поверхностями. Если исследуемая поверхность обработана с высокой степенью точности, то интерференционная картина будет состоять из системы светлых и темных полос. Темным полосам (минимумам) соответствует разность хода лучей, равная 1/2, 3/2, 5/2 и т.д. Если на исследуемой поверхности имеется борозда глубиной /2, то так как свет проходит борозду дважды, возникает добавочная разность хода, равная целой длине волны . Интерференционная полоса искривляется и достигает полосы, соответствующей минимуму следующего порядка. В этом случае наблюдаемая величина искривления будет равна расстоянию между полосами (а).

Аналогично искривляются все интерференционные полосы перпендикулярные борозде. Если величина искривления равна N , то глубина борозды . Величина N может быть найдена как отношение величины искривления b полос к расстоянию между полосами. Тогда

. (1)

Измерения проводятся на интерференционном микроскопе МИИ-4 (см. рис.2), где 1-источник питания, 2-осветитель-лампа накаливания с устройством для юстировки 3, 4-кассета со светофильтрами, 5-столик интерферометра с микрометрическими винтами 6 и 7, перемещающими столик в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, 8-заслонка, закрывающая эталонное зеркало (-зеркало открыто, - зеркало закрыто и интерферометр работает как микроскоп), 9- механизм юстировки, 10 - окуляр-микрометр, 11-микрометрический винт окуляр микрометра, 12 - микрометрический винт микроскопа для наводки на исследуемую поверхность, 13 - образец.

Образец 13 устанавливают исследуемой поверхностью вниз на предметном столике 5 и включают осветитель 2 , поворачивают рукоятку 8 в положение ²закрыто² и вращением винта 12 фокусируют прибор на исследуемую поверхность. Далее, поворачивая рукоятку 8 в положение ²открыто², включают объективную головку. В этом случае при наблюдении в окуляр 10 видны интерференционные полосы. Вращением винта 12 устанавливают микроскоп на наиболее резкое изображение полос. Тогда в поле зрения видны одновременно интерференционная картина и исследуемая поверхность. Вращая столик, добиваются того, чтобы следы обработки (борозды) были перпендикулярны интерференционным полосам. Винтовой окуляр-микрометр 10 следует развернуть так, чтобы одна из нитей перекрестия была направлена вдоль интерференционных полос. При работе в белом свете (интерференционная картина окрашена) все измерения производят по двум соседним черным полосам. При этом длину волны принимают равным 0,55 мкм.

Измерения состоят из двух операций:

а) измерения расстояния между полосами

a = N₁ - N₂,

где N₁ и N₂ - отсчеты по окулярному микрометру при совмещении нити окулярного микрометра с двумя соседними полосами;

б) измерения величины искривления полос

b = N₃ - N₄,

где N₃ - отсчет по окулярному микрометру при совмещении нити окулярного микрометра с одной из полос, N₄ - отсчет при совмещении нити с той же полосой в месте изгиба. Глубина борозд вычисляется по формуле (1), переписанной в виде

Здесь 0,27 мкм – половина длины волны зеленого цвета (в интерферометре используется зеленый светофильтр).

Упражнение 1

Измерить глубину штриха на отполированной поверхности образца не менее 11 раз и определить абсолютную и относительную ошибку измерений.

Упражнение 2

Измерить толщину полупроводниковой или металлической пленки также 11 раз (в разных местах) и определить ее среднее значение.

При измерении толщины пленки в месте штриха используется граница (край) пленки. Граница должна быть резкая.

Контрольные вопросы

1. Объясните возникновение интерференционной картины в виде темных и светлых полос. Вывести условия максимума и минимума интерференционной картины наложением двух когерентных плоских бегущих световых волн. Объяснить смысл понятий разности хода и разности фаз.

2. Какова роль пластинки К в микроинтерферометре Линника?

3. Как при работе с данным микроинтерферометром повысить точность измерений?

4. Отличие микроинтерферометра Линника от интерферометра Майкельсона. Многолучевые интерферометры.

Литература

1. Ландсберг Г.С. Оптика. – М.:1976, Гл.IУ, §§ 12-14,17. Гл. УII, § 29.

2. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. – М.: 1978, Гл. У, §§ 5.1, 5.2, 5.8.

3. Бутиков Е.Н. Оптика. Учебное пособие. - Санкт-Петербург. Москва. Краснодар: Лань, 2012., §§ 5.1, 5.3.

4. Матвеев А.Н. Оптика. – М.: Высшая школа , § 26.

5. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. Изд. МГУ, 2004, с. 306.