ОПТИЧЕСКИЙ ПРОФИЛОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к классу устройств, предназначенных для бесконтактного метрологического обеспечения субнанометровых технологий, и может быть использовано для контроля профиля поверхности изделий в различных областях техники как при отладке технологических процессов, так и при экспресс-контроле конечной продукции, а также в научных исследованиях.

Известен класс профилометров, работа которых основана на принципе гетеродинной интерферометрии. Сущность этого принципа заключается в формировании двух лучей, имеющих близкие частоты, с использованием для этого лазерного излучения. Использование одного из лучей в качестве опорного и измерения относительных изменений фаз модулированных сигналов для получения профиля исследуемой поверхности. Известные гетеродинные профилометры отличаются используемыми значениями разницы частот лазерных лучей, а также конкретным выполнением элементов оптических схем. В качестве расщепителей частоты в разных вариантах интерферометров такого типа используются вращающиеся четверти волновые пластинки, ячейки Брегга, вращающийся с постоянной скоростью расщепитель, а также Зеемановский расщепитель для He-Ne лазера. Для повышения точности изменений часто формируют опорный пучок, усредненным по поверхности, для чего используют различные оптические схемы его расширения.

Несмотря на эти меры точность гетеродинных профилометров ограничена значением λ/500 где λ длина волны используемого излучения, из-за трудности поддержания разности близких частот с высокой стабильностью. Одним из лучших гетеродинных профилометров является профилометр (патент США N 4,848,908, 1989), который содержит He-Ne лазер, акусто-оптический модулятор, средства для расширения опорного луча, поляризующий расщепитель, четвертьволновую пластинку, фокусирующую линзу и подвижный стол, на котором расположен исследуемый образец, а также два фотодиода и электронный блок.

Известен другой класс профилометров, в основу работы которых положен метод фазомодулирующей интерферометрии. Профилометры этого типа включают интерферометр, в одном из плеч которого установлена опорная пластина, а в другом исследуемый образец. Для осуществления измерений разность хода интерферирующих лучей модулируют и преобразуют интерференционную картину в фотоэлектрический сигнал, после чего информацию о профиле поверхности извлекают из фазовой компоненты детектируемого сигнала. Для получения интерференционной картины используют монохроматическое излучение. Фазомодулирующие профилометры отличаются типами используемых интерферометров (интерферометр Майкельсона, объектив Миро и др. ), применением разных типов модуляции (синусоидальная, пилообразная), конкретным выполнением отдельных элементов оптических схем.

Профилометр такого типа, обеспечивающий сравнительно высокую точность измерений (λ/500-λ/1000), известен, например, по Osami Sasaki, Hirokazu Okazaki, Appl. Opt. 1986, v.25, N 18, 3137. Профилометр содержит источник излучения (лазер), интерферометр Майкельсона, в одном из плеч которого установлен исследуемый образец, а в другом референтная пластина, закрепленная на пьезоэлектрическом элементе, а также CCD матрицу для регистрации сигнала.

Недостатком этого профилометра, также, как и других профилометров такого типа, а также профилометров гетеродинного типа, является высокий уровень дифракционных пространственных шумов (спеклов), связанных с высокой пространственной когерентностью монохроматического излучения и свойственный всем оптическим устройствам, использующим лазерное излучение. Кроме того поскольку в этом профилометре модуляция осуществляется путем перемещения либо опорной, либо исследуемой пластины с помощью пьезоэлектрического элемента, то линейный размер исследуемой поверхности ограничен техническими характеристиками используемого пьезоэлектрического элемента и не может превышать 100 мкм.

Третий большой класс профилометров это профилометры, работа которых основана на формировании пучка излучения, сфокусированного на поверхности исследуемого образца. Мерой отклонения от плоскости в профилометрах такого типа является степень расфокусировки изображения. Такие профилометры отличаются типом используемого источника излучения (монохроматические и источники белого света), оптическими схемами формирования сфокусированных пучков, способом оценки расфокусировки и т.п. Например, по F. Quercioli, et al, Opt. Eng. 1988, v.27, N 2, 135 известен профилометр, содержащий источник белого света, диафрагму, коллиматор и хроматическую линзу, в фокусе которой расположен исследуемый образец. Профилометр содержит также монохроматор, образованный хроматической линзой, диспергирующим элементом и фокусирующей линзой, на выходе которого установлена линейка фотодиодов.

Ограничения точности измерения плоскости для профилометров такого типа связаны с тем, что оценка микронеровностей осуществляется по интенсивности отраженного от исследуемой поверхности излучения, причем результат измерения зависит от отражающих и рассеивающих свойств отдельных участков исследуемой поверхности, в связи с чем точность измерения не может превышать нескольких микрон.

Ближайшим аналогом разработанного оптического профилометра по совокупности сходных существенных признаков является оптический профилометр (патент США N 4,641,971, кл. G 01 B 9/02, 1987), который трудно отнести к какому-либо из приведенных выше классов оптических профилометров. Он содержит последовательно расположенные на оптической оси источник белого света и интерферометр, обеспечивающий формирование по меньшей мере двух лучей белого света, причем одной из пластин интерферометра является исследуемый образец, а другой референтная пластина, и цветную телевизионную (TV) камеру. Между источником белого света и входом TV камеры установлен согласованный оптический фильтр. Три входа TV камеры подключены к блоку обработки, выход которого соединен с регистратором, в качестве которого используют монитор. Регистратор связан также с TV камерой.

Недостатком этого профилометра является низкая точность, обусловленная тем, что его работа основана на сравнении интенсивности интерференционной картины в трех участках спектра с помощью трех различных приемников, с использованием для этого стандартной TV камеры. Поэтому точность профилометра ограничена возможно достижимой идентичностью амплитудных характеристик каналов приемников, которая у современных TV камер не превышает 1% Максимальный динамический диапазон существующих цветных TV камер составляет 252 уровня. Предельная точность этого профилометра не может превышать λ/200.

Проблемы измерения и контроля с гораздо более высокой точностью, а именно, с точностью, сравнимой с размерами атомов и молекул, характерны для многих современных технологических процессов. Такие методы контроля необходимы для научных целей и для создания оптических приборов сверхвысокого пространственного, а также спектрального разрешений. Остро эти проблемы возникают при создании приборов для дистанционного оптического зондирования, в частности, оптического зондирования астрономических объектов. В настоящее время чувствительность фотоприемников со счетом фотонов позволяет обнаружить эффекты, вызывающие изменение характеристик светового излучения порядка 10^-4 10^-6 от их номинальных значений. Простые оценки показывают, что реализация этих возможностей связана с необходимостью создания оптических элементов, обладающих той же степенью однородности и стабильности. По утверждению специалистов созданию необходимых технологий в основном препятствует отсутствие соответствующих средств измерений и контроля. Сфера приложений субнанометровых измерительных приборов в настоящее время охватила не только научные, но и большое количество практических областей. Наиболее очевидным примером использования таких приборов для прикладных целей является область микроэлектроники. С появлением таких приборов связывают создание микроэлектронных устройств последнего поколения, которые должны совершать, по мнению ученых, революцию в электронной технике.

Задача изобретения разработка оптического профилометра для бесконтактного метрологического обеспечения субнанометровых технологий.

Сущность изобретения заключается в том, что разработанный оптический профилометр, также, как и известный, содержит расположенные на оптической оси источник белого света и измерительный интерферометр, обеспечивающий формирование по меньшей мере двух лучей белого света, при этом одной из пластин измерительного интерферометра является исследуемый образец, а другой - референтная пластина, а также блок обработки, управляющий вход которого соединен с синхронизатором, а выход подключен к регистратору.

Новым в разработанном оптическом профилометре является то, что в него дополнительно введены установленные на оптической оси коллиматор, блок сопряжения, вспомогательный интерферометр, объектив и матричный преобразователь светового сигнала в электрический, а также источник управляющих напряжений. Коллиматор установлен за источником белого света, а измерительный и вспомогательный интерферометры установлены между коллиматором и матричным преобразователем светового сигнала в электрический. Блок сопряжения установлен между измерительным и вспомогательным интерферометрами, а объектив установлен на входе матричного преобразователем светового сигнала в электрический. Вход источника управляющих напряжений подключен к синхронизатору, соединенному также с управляющим входом матричного преобразователя светового сигнала в электрический. Выход матричного преобразователя подключен к блоку обработки. Одна из пластин вспомогательного интерферометра выполнена неподвижной, а другая пластина выполнена с возможностью перемещения оптической оси с помощью закрепленного на ней пьезоэлектрического элемента, который соединен с выходом источника управляющих напряжений. Блок обработки выполнен в виде многоканального измерителя фазы.

В частном случае измерительный интерферометр выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо.

В другом частном случае вспомогательный интерферометр выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо.

В третьем частном случае измерительный и вспомогательный интерферометры выполнены в виде интерферометров Фабри-Перо.

Целесообразно между источником белого света и матричным преобразователем светового сигнала в электрический установить согласованный оптический фильтр.

В разобранном оптическом профилометре введение установленных на оптической оси коллиматора, блока сопряжения, вспомогательного интерферометра, объектива и матричного преобразователя светового сигнала в электрический, а также источника управляющих напряжений, позволяет реализовывать сочетание преимуществ оптических устройств, использующих белый свет, а именно, отсутствие дифракционных пространственных шумов (спеклов), и оптических устройств, использующих интерференционно-фазовые методы измерений. Это и обеспечивает достижение необходимого технического результата повышение точности измерений до значений не менее λ/1000. Другим достигаемым техническим результатом является возможность исследования поверхностей существенно больших размеров, чем это позволяют другие известные профилометры, т.к. размер исследуемой поверхности ограничен только конкретной реализацией используемого блока сопряжения. Это позволяет использовать разработанный оптический профилометр для бесконтактных измерений при метрологическом обеспечении субнанометровых технологий.

На чертеже приведена структурная схема разработанного оптического профилометра.

Оптический профилометр (см. чертеж) содержит последовательно установленные на оптической оси источник 1 белого света и коллиматор 2, а также установленные на оптической оси измерительный интерферометр 3, обеспечивающий формирование по меньшей мере двух лучей белого света, блок 4 сопряжения, вспомогательный интерферометр 5 и матричный преобразователь 6 светового сигнала в электрический. Одной из пластин измерительного интерферометра 3 является исследуемый образец 7, а другой референтная пластина 8. Измерительный и вспомогательный интерферометры 3, 5 установлены между коллиматором 2 и матричным преобразователем 6 светового сигнала в электрический, а блок 4 сопряжения установлен между измерительным и вспомогательным интерферометрами 3, 5. В конкретной реализации (см. чертеж) измерительный интерферометр 3 установлен за коллиматором 2.

В качестве измерительного интерферометра 3 может быть использован любой интерферометр, удовлетворяющий вышеуказанным требованиям. В конкретной реализации, представленной на чертеже, измерительный интерферометр 3 выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо. В качестве вспомогательного интерферометра 5 может быть использован любой интерферометр. В конкретной реализации, представленной на чертеже, измерительный интерферометр 3 также выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо. Пластина 9 вспомогательного интерферометра 5 выполнена неподвижной, а пластина 10 выполнена с возможностью перемещения вдоль оптической оси с помощью закрепленного на ней пьезоэлектрического элемента 11, который соединен с выходом источника 12 управляющих напряжений. Управляющий вход матричного преобразователя 6 светового сигнала в электрический подключен к синхронизатору 13, соединенному также с входом источника 12 управляющих напряжений и с управляющим входом многоканального измерителя 14 фазы. Выход многоканального измерителя 14 подключен к регистратору 15. На входе матричного преобразователя 6 установлен объектив 16. Между источником 1 белого света и матричным преобразователем 6 установлен согласованный оптический фильтр 17. В конкретной реализации по чертежу, согласованный оптический фильтр 17 установлен между выходом вспомогательного интерферометра 5 и объективом 16.

Блок 4 сопряжений предназначен для сопряжения световых диаметров измерительного и вспомогательного интерферометров 3, 5 и может быть выполнен в виде системы линз.

В качестве матричного преобразователя 6 может быть использована стандартная ПЗС-камера.

Расстояния между пластинами 7,8 измерительного интерферометра 3 и между пластинами 9, 10 вспомогательного интерферометра 5 в случае, когда согласованный оптический фильтр 17 в оптическом профилометре отсутствует, устанавливаются кратными друг другу с точностью порядка длины волны центральной части видимого спектра. При введении согласованного оптического фильтра 17 в оптический профилометр указанное ограничение на расстояние между пластинами 7, 8 и 9, 10 отсутствует, однако ширина полосы пропускания согласованного оптического фильтра 17 должна быть согласована с расстоянием между пластинами либо измерительного, либо вспомогательного интерферометров 3, 5.

Объектив 16 предназначен для формирования изображения исследуемой поверхности на фоточувствительной поверхности матричного преобразователя 6.

Согласованный оптический фильтр 17 может быть выполнен в виде интерференционного фильтра.

Источник 12 управляющих напряжений предназначен для изменения оптического промежутка вспомогательного интерферометра 5.

Синхронизатор 13 предназначен для обеспечения синхронной работы матричного преобразователя 6, источника 12 управляющих напряжений и блока 14 обработки. В качестве синхронизатора 13 может быть использован, например, генератор типа Г6-15.

В качестве многоканального измерителя 14 фазы может быть использовано любое вычислительное устройство, осуществляющее вычисление фазы первой Фурье-гармоники сигнала по его значениям в трех точках, в частности ЭВМ.

В качестве регистратора 15 может быть использовано любое двухкоординатное регистрирующее устройство (плоттер, двухкоординатный самописец, принтер и т.д.).

Оптический профилометр по чертежу работает следующим образом.

Расходящийся пучок излучения от источника 1 белого света падает на коллиматор 2. Параллельный пучок излучения, сформированный коллиматором 2, освещает пластины 7, 8 измерительного интерферометра 3. Интерферометр 3 формирует Ш-образный спектр излучения, соответствующий его собственной функции пропускания, при этом положения максимумов спектра излучения соответствуют расстояниям между рабочими поверхностями пластин 7, 8 измерительного интерферометра 3, а следовательно, профилю исследуемой поверхности образца 7. Излучение с выхода измерительного интерферометра 3 через блок 4 сопряжения без изменения спектрального состава падает на вспомогательный интерферометр 5. Пластина 10 вспомогательного интерферометра 5 с помощью пьезоэлектрического элемента 11, управляемого источником 12, перемещается вдоль оптической оси по закону управляющего напряжения. Поскольку при этом по тому же закону изменяется разность хода интерферирующих лучей в вспомогательном интерферометре 5, то соответственно меняется положение максимумов функции пропускания спектра вспомогательного интерферометра 5. На фоточувствительной поверхности матричного преобразователя 6 объектив 16 формирует изображение исследуемой поверхности. При этом в каждой точке изображения максимум излучения имеет место в момент совпадения до степени краткости расстояния между пластинами 9, 10 с расстоянием между пластиной 8 и соответствующей точкой поверхности исследуемого образца 7. Поскольку, как известно, фаза первой гармоники сигнала соответствует положению его максимума, то при перемещении пластины 10 вдоль оптической оси на выходе матричного преобразователя 6 формируются сигналы, фазы которых в каждый момент времени определяются расстоянием между пластинами 7, 8 измерительного интерферометра 3, а, следовательно, профилем исследуемой поверхности. Многоканальный измеритель фазы 14 обеспечивает измерение фаз сигналов на выходе каждого элемента матричного преобразователя 6. Регистратор 15 регистрирует полученные значения фаз сигналов, которые соответствуют профилю исследуемой поверхности.

Использование: изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом использования является повышение точности измерений, а также возможность исследования поверхностей больших линейных размеров (порядка 1 м). Сущность изобретения: результат достигается тем, что в разработанном оптическом профилометре реализовано сочетание преимуществ оптических устройств, использующих белый свет, а именно отсутствие дифракционных пространственных шумов (спеклов), и оптических устройств, использующих интерференционно-фазовые методы измерений. Это и обеспечивает достижение необходимого технического результата - повышение точности измерений до значений не менее λ/1000 . Другим достигаемым техническим результатом является возможность исследования поверхностей существенно больших размеров, чем это позволяют другие известные профилометры, т.к. размер исследуемой поверхности ограничен только конкретной реализацией используемого блока сопряжения. Это позволяет использовать разработанный оптический профилометр для бесконтактных измерений при метрологическом обеспечении субнанометровых технологий. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптический профилометр, содержащий источник белого света и установленный на оптической оси измерительный интерферометр, образованный исследуемой поверхностью и референтной пластиной и обеспечивающий формирование по меньшей мере двух лучей белого света, соединенные последовательно преобразователь оптического сигнала в электрический и блок обработки сигнала, синхронизатор, подключенный к его управляющему входу, и регистратор, соединенный с его выходом, отличающийся тем, что он снабжен установленными на оптической оси коллиматором, расположенным за источником белого света, вспомогательным интерферометром, блоком сопряжения и объективом, установленным на входе преобразователя оптического сигнала в электрический, выполненного матричным, при этом измерительный и вспомогательный интерферометры установлены между коллиматором и преобразователем оптического сигнала в электрический, а блок сопряжения установлен между измерительным и вспомогательным интерферометрами, а также источником управляющих напряжений, вход которого подключен к синхронизатору, соединенному также с управляющим входом преобразователя оптического сигнала в электрический, одна из пластин вспомогательного интерферометра выполнена неподвижной, другая с возможностью перемещения вдоль оптической оси и снабжена пьезоэлектрическим элементом, соединенным с выходом источника управляющих напряжений, а блок обработки сигнала выполнен в виде многоканального измерителя фазы. 2. Оптический профилометр по п.1, отличающийся тем, что измерительный интерферометр выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо. 3. Оптический профилометр по п.1 или 2, отличающийся тем, что вспомогательный интерферометр выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо. 4. Оптический профилометр по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в него дополнительно введен согласованный оптический фильтр, установленный между источником белого света и матричным преобразователем светового сигнала в электрический.