|
|
Interferometrický odměřovací systém pro elektronový litograf
Řeřucha, Šimon ; Šarbort, Martin ; Lazar, Josef ; Číp, Ondřej
Spolehlivost zápisu rozsáhlých struktur pomocí elektronového litografu je do velké míry závislá na přesném řízení polohy posuvného stolku se substrátem. Typicky je pro tuto úlohu využíváno optického odměřování pomocí laserových interferometrů, které poskytuje požadovanou úroveň přesnosti. Této přesnosti dosahuje za cenu využití složité optické sestavy, která díky nárokům na přesnost a robustnost v důsledku představuje netriviální navýšení ceny elektronového litografu jako výsledného produktu. V rámci spolupráce jsme se zaměřili na návrh a ověření optimalizovaného měřicího systému, který poskytne srovnatelnou přesnost a zároveň bude robustnější a cenově efektivnější. Jádrem optimalizace je v zásadě přesun zpracování interferenčního signálu z optické oblasti do oblasti výpočetní. V našem případě se jedná zejména o využití alternativní interferometrické detekční techniky, která využívá kontinuálně frekvenčně modulovaný laserový zdroj v kombinaci se zjednodušeným optickým systém. Výstupem optické soustavy je v obou případech dvojice fázových signálů, které v kvadraturní formě reprezentují hodnotu interferenční fáze. Požadavky na odměřovací systém jsou následující: nejistota měření menší než 2,5 nm, rozsah měření 100 mm, odezva systému 10 kHz. Navíc je vyžadováno využití jiné než viditelné vlnové délky z důvodů interference se scintilátory litografu. Pro účely ověření metody je použita optická sestava. Jako zdroj je využit kompaktní laserový modul RIO Orion (Rio Redfern Integrated Optics Inc.), založený na stabilizované DFB diodě, frekvenčně modulovaný změnou čerpacího proudu. Výstup z interferometrické sestavy je snímán dvěma detekčními systémy: jedním je standardní homodynní detekce, druhým je nová testovaná metoda. Toto uspořádání umožňuje srovnat vyhodnocení různými detekčními technikami a přitom, díky sdílené optické trase, eliminovat vnější vlivy, které mohou mít na přesné vyhodnocení výrazný vliv.
|
|
|
Přeladitelná laserová dioda na vlnové délce 633 nm pro přesná měření délky a spektroskopii
Pham, Minh Tuan ; Mikel, Břetislav ; Hrabina, Jan ; Lazar, Josef ; Číp, Ondřej
Polovodičové lasery si našly pevné místo v řadě oborů lidské činnosti zejména díky své miniaturní velikosti, nízké ceně a vysoké energetické účinnosti. Nalezneme je jako zdroje koherentního záření ve fotonických sítích, slouží pro diagnostiku a terapii v medicíně, jsou běžné v pomůckách pro stavebnictví pro vytyčování budov či stanovení jejich rozměrů. Současné metody pro nejpřesnější měření délek v průmyslové praxi využívají principy laserové interferometrie, které jsou založeny na laserech pracujících ve viditelné oblasti spektra. Je-li laserový svazek viditelný pouhým okem, pro obsluhu odměřovacího systému jde o velkou výhodu, neboť v takovém případě lze provést justáž optické soustavy snadno. Tradičním laserem pro tyto účely je již mnoho desetiletí plynový laser HeNe, který je znám pro svoji vynikající koherenční délku. V minulosti proto byla provedena řada experimentů s nahrazením tohoto laseru za typ polovodičový. Nevýhodou klasických, běžně dostupných hranově emitujících polovodičových laserů s Fabryovým-Perotovým rezonátorem, je však jejich nízká koherenční délka. Snahou výrobců bylo proto opatřit aktivní prostředí polovodiče pasivním selektivním prvkem, který zvýší jakost vlastního rezonátoru a zároveň omezí vznik jeho vyšších podélných modů.
|
|
|
Interferometrický systém pro souřadnicové odměřování
Lazar, Josef ; Holá, Miroslava ; Hrabina, Jan ; Oulehla, Jindřich ; Číp, Ondřej ; Vychodil, M. ; Sedlář, P. ; Provazník, M.
Interferometrické měřicí systémy představují nejpřesnější nástroj pro měření geometrických veličin a to nejen z pohledu komerční dostupnosti na trhu, ale z pohledu základní metrologie, fyzikálních principů a limitů a současné platné definice délky. Nalézají uplatnění všude, kde přesnost, rozlišení a také rozsah a dynamika měření představuje nejvyšší prioritu. Základní konfigurace laserového interferometru pro měření délek představuje laserový zdroj záření s vysokou koherencí se stabilizací frekvence, optika interferometru s polarizační separací svazků v měřicí a referenční dráze, detekční systém, elektronika a software pro zpracování a vyhodnocení signálů a systém pro kompenzaci vlivu indexu lomu prostředí. Konstrukce vlastního laserového zdroje vycházela z použitého laseru – Nd:YAG laseru se zdvojnásobením optické frekvence. Výstup z laseru je dělen na malou část využitou ke stabilizaci a většina je vyvedena do kolimátoru s příslušným počtem stupňů volnosti pro justáž vyvázání do optického vlákna. Kyveta z borosilikátového skla je součástí skříně. Její délka postačí díky silným absorpčním čarám na této vlnové délce malá. Má 10 cm a je ve skříni z prostorových důvodů umístěna rovnoběžně s laserem. Detekce absorpčních čar je realizována formou lineární absorpční spektroskopie. Navržené řešení využívá techniku pomalého ladění v okolí maxima absorpce s reverzací směru ladění v okamžiku poklesu detekované absorpce. Funkčnost základního uspořádání sestavy interferometrického měřicího systému byla ověřována na sestavě složené z části z komerčních optických komponentů. Sestavení funkčního interferometru obsahujícího všechny základní prvky, včetně stabilizovaného laseru, optiky a elektroniky bylo mimo jiné motivováno účastí spoluřešitele – firmy Meopta - optika, s.r.o. na veletrhu LASER 2013 v Mnichově.
|
|
|
Elektronika pro stabilizaci optických frekvenčních hřebenů
Hucl, Václav ; Čížek, Martin ; Šmíd, Radek ; Lazar, Josef ; Číp, Ondřej
Většina experimentů využívajících optický hřeben (komb) vyžaduje frekvenční a fázové zavěšení repetiční frekvence frep a offsetové frekvence fCEO na stabilní RF referenční signál generovaný z vysoce přesného oscilátoru (H-maser, GPSDO…). K zabránění tepelnému a mechanickému ovlivňování experimentálních sestav a optického hřebene při dlouhodobých experimentech je zároveň nanejvýš žádoucí v maximální možné míře omezit dobu pobytu osob v laboratoři. Tyto důvody nás vedly ke zkonstruování dálkově ovládaného systému pro dálkově pro dlouhodobou stabilizaci optického frekvenčního hřebene. V našem případě jsme stabilizovali optovláknový komb FC1500 od firmy Menlo Systems. Stabilizace probíhá ve dvou nezávislých smyčkách fázového závěsu. V první smyčce dochází k regulaci repetiční frekvence fs laseru, kde využíváme výstupní signál fotodetektoru monitorujícího výstup fs laseru jako zpětnou vazbu. V druhé smyčce regulujeme offsetovou frekvenci na základě zpětné vazby zprostředkované výstupním signálem f-2f interferometru. Regulace je realizována ve dvou řádech. První řád tvořený rychlým regulátorem s obvodem AD9956 s omezeným rozsahem přeladění je doplněn pomalejším regulátorem druhého řádu s velkým výstupním dynamickým rozsahem realizovaným s využitím digitálního signálového procesoru. Elektronika je připojena na komunikační sběrnici CAN, což umožňuje vzdáleně ovládat celé zařízení z prostředí LabView.
|
|
|
Main Activites of the Institute of Scientific Instruments
Müllerová, Ilona ; Radlička, Tomáš ; Mika, Filip ; Krzyžánek, Vladislav ; Neděla, Vilém ; Sobota, Jaroslav ; Zobač, Martin ; Kolařík, Vladimír ; Starčuk jr., Zenon ; Srnka, Aleš ; Jurák, Pavel ; Zemánek, Pavel ; Číp, Ondřej ; Lazar, Josef ; Mrňa, Libor
Institute of Scientific Instruments (ISI) was established in 1957 to develop diverse instrumental equipment for other institutes of the Academy of Sciences. ISI has long experience in research and development of electron microscopes, nuclear magnetic resonance equipment, coherent optics and related techniques. Nowadays the effort concentrates on scientific research in the field of methodology of physical properties of matter, in particular in the field of electron optics, electron microscopy and spectroscopy, microscopy for biomedicine, environmental electron microscopy, thin layers, electron and laser beam welding, electron beam lithography using Gaussian and shaped electron beam, nuclear magnetic resonance and spectroscopy, cryogenics and superconductivity, measurement and processing of biosignals in medicine, non-invasive cardiology, applications of focused laser beam (optical tweezers, long-range optical delivery of micro- and nano-objects) and lasers for measurement and metrology. ISI works both independently and in cooperation with universities, other research and professional institutions and with private companies at national and international level.
|
|
| |
|
|
Pokročilé interferometrické systémy pro měření v nanotechnologiích
Lazar, Josef ; Hrabina, Jan ; Holá, Miroslava ; Vychodil, M.
Příspěvek popisuje výsledky společného projektu ÚPT a firmy Meopta – optika zaměřeného na vývoj interferometrických systémů pro měření v nanotechnologiích. Na ÚPT AV ČR jde o navázání na výsledky výzkumu na poli interferometrického měření vzdáleností a laserů s vysokou koherencí, stabilizace optické frekvence laserů a laserové metrologie. Jde o výzkumné práce zaměřené na průmyslovou interferometrii a v součinnosti s firmou Meopta - optika, s.r.o. o předání potřebného know-how pro přípravu výroby. Náplň projektu je zaměřená na výzkum technologie výroby, metodiky interferometrického měření, stabilizace frekvence laserových zdrojů záření, detekčních systémů interferenčního signálu, zpracování signálů, vše s důrazem na přesnost a rozlišení primárně pro měření v nanosvětě. Cílem společného úsilí je komplexní interferometrický měřicí systém v podobě funkčního vzoru, který bude sloužit jako východisko pro výrobu. Půjde o modulární rodinu komponentů konfigurovatelných pro různé sestavy využití především pro víceosé měření v nanotechnologiích a testování povrchů.
|
|
|
Nanopositioning with detection of a standing wave
Holá, Miroslava ; Hrabina, Jan ; Číp, Ondřej ; Fejfar, A. ; Stuchlík, J. ; Kočka, J. ; Oulehla, Jindřich ; Lazar, Josef
A measuring technique is intended for displacement and position sensing over a limited range with detection of standing-wave pattern inside of a passive Fabry-Perot cavity. In this concept we consider locking of the laser optical frequency and the length of the Fabry-Perot cavity in resonance. Fixing the length of the cavity to e.g. a highly stable mechanical reference allows stabilizing wavelength of the laser in air and thus to eliminate especially the faster fluctuations of refractive index of air due to air flow and inhomogeneity. Detection of the interference maxima and minima within the Fabry-Perot cavity along the beam axis has been tested and proven with a low loss transparent photodetector with very low reflectivity. The transparent photodetector is based on a thin polycrystalline silicon layer. Reduction of losses was achieved thanks to a design as an optimized set of interference layers acting as an antireflection coating. The principle is demonstrated on an experimental setup.
|
|
|
Interferometric coordinates measurement sytem for local probe microscopy nanometrology
Hrabina, Jan ; Lazar, Josef ; Klepetek, P. ; Číp, Ondřej ; Čížek, Martin ; Holá, Miroslava ; Šerý, Mojmír
We present an overview of new approaches to the design of nanometrology measuring system with a focus on methodology of nanometrology interferometric techniques and associated problems. The design and development of a nanopositioning setup with interferometric multiaxis monitoring and control involved for scanning probe microscopy techniques (primarily atomic force microscopy, AFM) for detection of the sample profile is presented. Coordinate position sensing allows upgrading the imaging microscope techniques up to quantified measuring. Especially imaging techniques in the micro- and nanoworld overcoming the barrier of resolution given by the wavelength of visible light are a suitable basis for design of measuring systems with the best resolution possible. The system is being developed in cooperation with the Czech metrology institute and it is intended to operate as a national nanometrology standard combining local probe microscopy techniques and sample position control with traceability to the primary standard of length.
|
|
|
Precision displacement interferometry with stabilization of wavelength on air
Lazar, Josef ; Holá, Miroslava ; Hrabina, Jan ; Buchta, Zdeněk ; Číp, Ondřej
We present an interferometric technique based on differential interferometry setup for measurement in the subnanometer scale in atmospheric conditions. The motivation for development of this ultraprecise technique is coming from the field of nanometrology. The key limiting factor in any optical measurement are fluctuations of the refractive index of air representing a source of uncertainty on the 10'6 level when evaluated indirectly from the physical parameters of the atmosphere. Our proposal is based on the concept of overdetermined interferometric setup where a reference length is derived from a mechanical frame made from a material with very low thermal coefficient on the 1 O'8 level. The technique allows to track the variations of the refractive index of air on-line directly in the line of the measuring beam and to compensate for the fluctuations. The optical setup consists of three interferometers sharing the same beam path where two measure differentially the displacement while the third represents a reference for stabilization of the wavelength of the laser source. The principle is demonstrated on an experimental setup and a set of measurements describing the performance is presented.
|
host ::
RSS.