Установка контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов фотоприемника ик-диапазона спектра
Установка контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов фотоприемника ИК-диапазона спектра Заявляемая полезная модель установки относится к измерительному оборудованию, предназначенному для измерения фотоэлектрических параметров фотоприемников (ФП) инфракрасного диапазона спектра от 2 до 14 мкм, и может применяться для измерения фоточувствительных размеров и коэффициента взаимосвязи между фоточувствительными элементами многоэлементных фотоприемников инфракрасного (ИК) диапазона спектра. Установка может использоваться при исследованиях, настройке, контроле ИК-фотоприемников, используемых в тепловидении высокого разрешения, медицине, научных исследованиях. Настоящая полезная модель решает задачу измерения фотоэлектрических размеров и взаимосвязи в фотоприемниках с размерами элементов, сравнимыми с размерами оптического зонда и длиной волны оптического излучения, при существенном уменьшении погрешности позиционирования положения оптического зонда и повышении производительности труда при измерении фоточувствительных размеров и взаимосвязи ФП. Был изготовлен экспериментальный образец предлагаемой установки и измерены его технические характеристики. На изготовленной установке проведены измерения размеров и взаимосвязи многоэлементных фотоприемников.
Заявляемая полезная модель установки относится к измерительному оборудованию, предназначенному для измерения параметров фотоприемников (ФП) инфракрасного диапазона спектра от 2 до 14 мкм, и может применяться для измерения фоточувствительных размеров и коэффициента взаимосвязи фоточувствительных элементов (ФЧЭ) многоэлементного фотоприемника инфракрасного (ИК) диапазона спектра. Установка может использоваться при исследованиях, настройке, контроле ИК-фотоприемников, используемых в тепловидении высокого разрешения, медицине, научных исследованиях.
Известен электронно-лучевой метод измерения размеров p-n переходов [1], когда сфокусированный пучок электронов (электронный луч) диаметром 10 нм перемещается вдоль поверхности полупроводниковой пластины, каждая точка перемещения электронного пучка обычно отображается на экране электронного микроскопа. Достоинством данного метода является высокое разрешение - 10 нм. Недостатки данного метода заключаются в том, что:
- контроль можно проводить только для полупроводниковых пластин, а не готового изделия (матричный фотоприемник в корпусе с системой охлаждения);
- электронно-лучевое оборудование относится к дорогостоящим видам оборудования и требует специально обученного персонала и специально приспособленных помещений для эксплуатации.
Наиболее близким аналогом данной установки является установка для измерения коэффициента фотоэлектрической связи К167.410 [2], принятая в качестве прототипа.
Известная установка содержит источник ИК-излучения на спектральный диапазон 2-14 мкм, с глобаром, конденсором, механическим модулятором и блоком оптических щелей с плавной регулировкой; фокусирующую систему с поворотным зеркалом и зеркальным объективом с механизмом фокусировки для формирования оптического зонда в плоскости расположения фоточувствительного элемента ФП, узел позиционирования ФП с двухкоординатным столиком и микрометрическими винтами.
Недостатком этой установки является неподвижный источник излучения, относительно которого перемещается закрепленный на узле позиционирования ФП. Узел позиционирования представляет собой двухкоординатный столик с микрометрическими винтами. Погрешность перемещения координатного столика определяется погрешностью микрометрических винтов, которая в данной установке составляет±10 мкм. У координатного столика не предусмотрены приводные механизмы, необходимые для его точного позиционирования в процессе измерений. Процесс измерений производится оператором вручную и требует больших затрат труда и времени, что снижает производительность труда при измерении фотоэлектрических размеров и взаимосвязи многоэлементных фотоприемников.
Задачей заявляемой установки является повышение точности измерений и производительности выполнения операции контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов ФП ИК-диапазона спектра.
Предлагаемая полезная модель решает задачу измерения фотоэлектрических размеров и взаимосвязи многоэлементного фотоприемника с размерами элементов, сравнимыми с размерами оптического зонда и длиной волны оптического излучения.
Технический результат заявляемой установки контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов ФП ИК-диапазона спектра достигается посредством того, что в установку
дополнительно введено устройство прецизионного перемещения источника ИК-излучения, включающее подвижный столик, связанный через безлюфтовый редуктор с шаговым электродвигателем (ШД), электронный блок управления ШД, выходы которого подключены к ШД, а входы - к интерфейсной плате, которая соединена с персональной электронно-вычислительной машиной (ПЭВМ) и выходом ФП.
При этом погрешность положения оптического зонда относительно ФЧЭ меньше в коэффициент уменьшения объектива (у разработанной нами установки 13,5 раз), чем погрешность позиционирования источника ИК-излучения, что позволяет существенно уменьшить погрешность позиционирования оптического зонда относительно ФЧЭ по сравнению с прототипом.
Заявленная полезная модель поясняется блок-схемой установки контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов ФП ИК-диапазона спектра, представленной на фиг.1, где:
1 - источник ИК-излучения на спектральный диапазон 2-14 мкм;
1.1 - глобар;
1.2 - конденсор;
1.3 - модулятор;
1.4 - блок оптических щелей с плавной регулировкой от 0 до 4 мм;
2 - фокусирующая система;
2.1 - поворотное зеркало;
2.2 - зеркальный объектив с механизмом фокусировки;
3 - узел позиционирования ФП;
3.1 - двухкоординатный столик;
3.2 - микрометрические винты;
4 - устройство прецизионного перемещения источника ИК-излучения;
4.1 - подвижный столик;
4.2 - безлюфтовый редуктор;
4.3 - шаговый электродвигатель;
4.4 - электронный блок управления ШД;
4.5 - интерфейсная плата;
4.6 - персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ);
Полезная модель установки контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов ФП ИК-диапазона спектра содержит источник ИК-излучения на спектральный диапазон 2-14 мкм с глобаром 1.1, конденсором 1.2, механическим модулятором 1.3 и блоком оптических щелей 1.4 с плавной регулировкой от 0 до 4 мм, фокусирующую систему 2 с поворотным зеркалом 2.1 и зеркальным объективом 2.2 с механизмом фокусировки для формирования оптического зонда в плоскости расположения фоточувствительных элементов ФП, узел позиционирования фотоприемника 3, с двухкоординатным столиком 3.1 и микрометрическими винтами 3.2 отличающаяся тем, что в установку дополнительно введено устройство прецизионного перемещения источника ИК-излучеия 4, включающее подвижный столик 4.1, связанный через безлюфтовый редуктор 4.2 с шаговым электродвигателем 4.3, электронный блок управления ШД 4.4, выходы которого подключены к ШД, а входы - к интерфейсной плате 4.5, которая соединена с персональной электронно-вычислительной машиной (ПЭВМ) 4.6 и с выходом ФП.
Установка работает следующим образом.
Для обеспечения заданного спектрального диапазона (2-14 мкм) в качестве источника излучения используется глобар. Глобар 1.1 располагается в фокальной плоскости конденсора 1.2, который концентрирует пучок излучения от источника излучения и фокусирует его в плоскость расположения блока оптических щелей 1.4.
Спектральная фильтрация осуществляется выбором оптических материалов для составных компонентов оптической системы установки, нанесением покрытий, ограничивающих спектральный диапазон излучения, падающий на ФП. В связи с этим конденсор и окно корпуса ФП выполнены из германия с просветляющим покрытием на спектральный диапазон
исследуемых ФП.
Блок оптических щелей 1.4 представляет собой сборку из двух расположенных перпендикулярно друг другу плавно регулируемых механических щелей с диапазоном раскрытия 0÷4 мм и с точностью установки ±5 мкм. Блок оптических щелей выполняет функцию вторичного источника излучения, имеющего строго задаваемые и регулируемые размеры.
Между конденсором 1.2 и блоком оптических щелей 1.4 установлен механический модулятор 1.3, представляющий собой металлический диск с расположенными по краю диска лопатками, обеспечивающими при вращении электродвигателя модуляцию потока излучения с частотой 650 Гц.
Подвижный столик 4.1 с установленными на нем компонентами ИК-излучателя 1 перемещается по высокоточным шариковым направляющим в направлении, перпендикулярном оптической оси зеркального объектива 2.2.
Перемещение осуществляется с помощью шагового электродвигателя 4.3, связанного с подвижным столиком посредством безлюфтового редуктора 4.2.
Использованная в установке конструкция редуктора представляет собой известное соединение винт-гайка, в котором гайка выполнена разрезной с возможностью регулировки зазора в резьбовом соединении. Подобные конструкции редукторов обеспечивают практически безлюфтовое соединение при движении столика в обоих направлениях с погрешностью определения его положения, не превышающей 5 мкм.
Использование в установке шагового электродвигателя ДШИ-200 обеспечивает дискретное пошаговое перемещение столика с числом шагов равным 200 за один оборот оси ШД. При выбранном шаге резьбового соединения редуктора равным 2 мм поворот ШД на один шаг соответствует перемещению столика на 10 мкм. Наличие трения в резьбовом соединении при старт-стопном движении ШД может приводить к появлению
погрешности в определении положения столика, не превышающей 0,5 шага, что составляет в данном случае 5 мкм.
Таким образом, суммарная погрешность перемещения подвижного столика 4.1 с ИК-излучателем 1 не превышает 10 мкм.
Выходящий из блока оптических щелей поток излучения падает на поворотное зеркало 2.1, которое разворачивает его на угол 90° и направляет на проекционный зеркальный объектив 2.2, выполненный по схеме Кассегрена.
Объектив состоит из двух зеркальных компонент - параболического и эллиптического зеркал, рассчитанных по схеме с минимальной сферической аберрацией, и имеет следующие характеристики:
- фокусное расстояние, мм | 28,3 |
- диаметр кружка рассеяния в центре поля
изображения на длине волны 4 мкм, мкм | 15 |
Для выбранного в установке расстояния от объектива до блока оптических щелей 1.4 в плоскости расположения исследуемого фотоприемника формируется изображение источника излучения в виде освещенного участка прямоугольной формы с уменьшением размеров в 13,5 раза. В такое же количество раз уменьшаются и все погрешности, связанные с неточностью перемещения излучателя, установленного на подвижном столике 4.1. Рассмотренная выше суммарная погрешность перемещения источника излучения, равная 10 мкм, проецируется в плоскость фотоприемника, уменьшаясь до 0,8 мкм, что в несколько раз меньше, чем в установке-прототипе.
Объектив имеет регулировку положения плоскости изображения в пределах ±4 мм, что позволяет производить точную фокусировку сформированного потока излучения на исследуемый фотоприемник. Перемещение объектива вдоль оптической оси осуществляется вручную с помощью специального механизма.
Узел позиционирования фотоприемника 3 представляет собой
двухкоординатный столик 3.1 с микрометрическими винтами 3.2 для установки ФП с возможностью перемещения его в двух взаимно-перпендикулярных направлениях.
Процесс измерений происходит следующим образом. Измеряемый ФП помещается в посадочное место узла позиционирования и подключается к входу интерфейсной платы. Измерение сигналов с ФП производится под управлением ПЭВМ с помощью программного обеспечения AreaProject.exe. Перед началом измерений ФП с помощью микрометрических винтов устанавливается по центру и по фокусу оптического зонда. Критерием настройки оптического зонда в месте расположения фоточувствительных элементов (ФЧЭ) служит крутизна спада распределения снимаемого выходного фотосигнала, максимальное его значение и минимальная полуширина измеряемой характеристики. После настройки запускается программа на перемещение источника ИК-излучения и происходит снятие зависимости фотосигнала ФП от положения оптического зонда. Оптический зонд отходит на N точек, где 2N-количество точек измерения, затем сканирует элемент ФП за один проход.
После снятия характеристики проводится обработка данных на ПЭВМ, строится зависимость распределения фоточувствительности от координаты вдоль измеряемого элемента и вычисляются основные параметры: полуширина измеряемой характеристики или эффективный размер ФЧЭ и коэффициент взаимосвязи. Операция повторяется для взаимно перпендикулярного направления.
Была изготовлена и исследована экспериментальная установка контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов фотоприемника ИК-диапазона спектра.
Изготовленная установка обеспечивает следующие технические характеристики:
- спектральный диапазон измеряемых ФП, мкм | 2÷14 |
- диапазон измеряемых эффективных размеров фотоэлектрических площадок, мкм×мкм | 20×20÷2000×2000 |
- минимальный шаг перемещения
оптического зонда, мкм | 3 |
- максимальный шаг перемещения
оптического зонда, мкм | 30 |
- количество точек сканирования | 65 |
- максимальная погрешность установки положения
ФП относительно оптического зонда, мкм | 0,8 |
- диапазон измеряемых значений коэффициента
взаимосвязи между ФЧЭ, % | 0÷20 |
-диапазон перемещения ФП в плоскости оптического
зонда, мм | 15÷15 |
Предлагаемая установка обеспечивает более высокую точность контроля размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов ФП ИК-диапазона спектра и повышает производительность выполнения операций контроля за счет введения в установку устройства прецизионного перемещения источника ИК-излучения.
Литература
1. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. - М: Мир, 1985. - СС.409-440.
2. Технические условия, Установка для измерения коэффициента фотоэлектрической связи К 167.410ТУ.
Установка контроля фотоэлектрических размеров и взаимосвязи фоточувствительных элементов фотоприемника (ФП) ИК-диапазона спектра, содержащая источник ИК-излучения с глобаром, конденсором, механическим модулятором и блоком оптических щелей с плавной регулировкой, фокусирующую систему с поворотным зеркалом и зеркальным объективом с механизмом фокусировки для формирования оптического зонда в плоскости расположения фоточувствительных элементов ФП, узел позиционирования фотоприемника с двухкоординатным столиком и микрометрическими винтами, отличающаяся тем, что в установку дополнительно введено устройство прецизионного перемещения источника ИК-излучения, включающее подвижный столик, связанный через безлюфтовый редуктор с шаговым электродвигателем (ШД), электронный блок управления ШД, выходы которого подключены к ШД, а входы - к интерфейсной плате, которая соединена с персональной электронно-вычислительной машиной (ПЭВМ) и выходом ФП.