ОПТИЧЕСКИЙ ПРОФИЛОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01B21/30 

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, использовании одного из лучей в качестве опорного и измерении 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. Так, например, в качестве расщепителей частоты в разных вариантах интерферометров такого типа используются вращающиеся четвертьволновые пластинки, ячейки Брегга, вращающийся с постоянной скоростью расщепитель, а также Зеемановский расщепитель для He-Ne-лазера. Для повышения точности измерений часто формируют опорный пучок усредненным по поверхности, для чего используют различные оптические схемы его расширения.

Однако 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). Он содержит He-Ne-лазер, акустооптический модулятор, средства для расширения опорного луча, поляризующий расщепитель, четвертьволновую пластинку, фокусирующую линзу, подвижный стол, на котором расположен образец, а также два фотодиода и электронный блок.

Известен другой класс профилометров, в основу работы которых положен метод фазомодулирующий интерферометрии. Профилометры этого типа включают интерферометр, в одном из плеч которого установлена опорная пластина, а в другой 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.

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

Недостатком этого профилометра 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 пьезоэлемента и не может превышать 100 мкм.

И, наконец, 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.д. Например, известен профилометр (F. Quercioli, et al, Opt. Eng. 1988, v 27, N 2, 135), 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 плоскостности 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, МПК 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 источниками 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 интенсивностью амплитудных характеристик каналов приемников, которая у современных TV-камер не превышает 1% Кроме того, как известно, максимальный динамический диапазон существующих цветных TV-камер составляет 252 уровня. Очевидно поэтому, что предельная точность этого профилометра не может превышать λ/200.

Однако 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. Прежде всего такие методы контроля необходимы для научных целей и для создания оптических приборов сверхвысокого пространственного, а также спектрального разрешений. Особенно 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 обнаруживать 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 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 этих приборов связывают создание микроэлектронных устройств последнего поколения, которые должны совершить, по мнению ученых, революцию в электронной технике.

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, повышение точности при разработке оптического профилометра для бесконтактного метрологического обеспечения субнанометровых технологий.

Сущность изобретения заключается в том, что разработанный оптический профилометр так же, как и известный, содержит расположенный на оптической оси источник белого света и интерферометр, включающий на выходе объектив и обеспечивающий формирование по меньшей мере двух лучей белого света, и регистратор, управляющий вход которого соединен с синхронизатором. Одной из пластин интерферометра является исследуемый образец, а другой референтная пластина.

Новым в разработанном оптическом профилометре является то, что в него дополнительно введены установленные последовательно на оптической оси за интерферометром спектрограф и координатоуказатель. Интерферометр и спектрограф установлены с возможностью перемещения друг относительно друга с помощью исполнительного механизма плоскости изображения исследуемой поверхности и входа спектрографа в указанной плоскости. Вход спектрографа оптически связан с чувствительным элементом координатоуказателя, выход которого подключен к монитору. Управляющий вход исполнительного механизма соединен с синхронизатором.

В частном случае интерферометр выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо, на входе которого установлен первый коллиматор, а в фокальной плоскости первого коллиматора установлено поворотное зеркало.

В другом частном случае спектрограф включает в себя последовательно установленные на оптической оси световод, вход которого является входом спектрографа, второй коллиматор, диспергирующий элемент и фокусирующую линзу, фокальная плоскость которой является выходом спектрографа.

Оптический профилометр может включать согласованный оптический фильтр, расположенный между источником белого света и координатоуказателем.

В разработанном оптическом профилометре введение установленных последовательно на оптической оси за интерферометром белого света спектрографа и координатоуказателя с возможностью перемещения с помощью исполнительного механизма друг относительно друга плоскости изображения исследуемой поверхности и входа спектрографа в указанной плоскости обеспечивает построение на фоточувствительном элементе координатоуказателя спектров излучений, соответствующих в совокупности изображению профиля исследуемой поверхности. Координатоуказатель, динамический диапазон которого составляет 10⁶, обеспечивает измерение положений максимумов спектров изображения интерферограммы исследуемой поверхности, причем положения максимумов построенных спектров соответствуют положению энергетического центра светового пятна на фоточувствительном элементе координатоуказателя. Поскольку при "просмотре" изображения исследуемой поверхности при изменении спектрального состава излучения изменяется пространственное положение энергетического центра светового пятна на фоточувствительном элементе координатоуказателя, соответствующее изменение напряжения на выходе координатоуказателя, регистрируемого синхронно с взаимным относительным перемещением плоскости изображения исследуемой поверхности и входа спектрографа в указанной плоскости, соответствует профилю исследуемой поверхности. 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 (порядка 1 м), чем это позволяют другие известные профилометры, так как размер исследуемой поверхности ограничен только мощностью используемого источника света. Это позволяет использовать разработанный оптический профилометр для бесконтактных измерений при метрологическом обеспечении субнанометровых технологий.

На чертеже приведена структурная схема разработанного оптического профилометра.

Оптический профилометр содержит последовательно расположенные на оптической оси источник 1 белого света и интерферометр 2, включающий на выходе объектив 3 и обеспечивающий формирование по меньшей мере двух лучей белого света, при этом одной из пластин интерферометра 2 является исследуемый образец 4, а другой референтная пластина 5.

В качестве интерферометра 2 может быть использован любой интерферометр, удовлетворяющий вышеуказанным требованиям. В конкретной реализации, представленной на фиг. 1, интерферометр 2 выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо, на входе которого установлен первый коллиматор 6, а в фокальной плоскости коллиматора 6 установлено поворотное зеркало 7.

Выход интерферометра 2 оптически связан со спектрографом 8, при этом интерферометр 2 и спектрограф 8 установлены с возможностью перемещения с помощью исполнительного механизма 9 друг относительно друга плоскости изображения исследуемой поверхности и входа спектрографа 8 в указанной плоскости. Выход спектрографа 8 оптически связан с координатоуказателем 10, выход которого подключен к регистратору 11, а управляющий вход исполнительного механизма 9 соединен с синхронизатором 12.

В качестве спектрографа 8 может быть использован спектрограф любого типа. В конкретной реализации (фиг. 1) спектрограф 8 содержит последовательно установленные на оптической оси световод 13, вход которого является входом спектрографа 8, второй коллиматор 14, диспергирующий элемент 15 и фокусирующую линзу 16, фокальная плоскость которой является выходом спектрографа 8.

Оптический профилометр может включать согласованный оптический фильтр 17, расположенный между источником 1 белого света и координатоуказателем 10. В конкретной реализации по фиг. 1 согласованный оптический фильтр 17 установлен в интерферометре 2 перед объективом 3.

Расстояние между пластинами 4, 5 интерферометра 2 в случае, когда согласованный оптический фильтр 17 в оптическом профилометре отсутствует, устанавливается порядка длины волны центральной части видимого спектра.

При введении согласованного оптического фильтра 17 в оптический профилометр указанное ограничение на расстояние между пластинами 4, 5 отсутствует, однако ширина полосы пропускания согласованного оптического фильтра 17 должна быть согласована с расстоянием между пластинами 4, 5 интерферометра 2. Согласованный оптический фильтр 17 может быть выполнен в виде интерференционного фильтра.

Исполнительный механизм 9 в конкретной реализации подключен к входу световода 13 (не показано) и должен обеспечивать перемещение входа световода 13 в плоскости изображения исследуемой поверхности, формируемой объективом 3 интерферометра 2. В качестве исполнительного механизма 9 может быть использован, например, исполнительный механизм любого двухкоординатного самописца.

В качестве координатоуказателя 10 может быть использован координатоуказатель энергетического центра светового пятна (авт.св. СССР N 1106425, 1965). Фоточувствительный элемент координатоуказателя 10 должен быть расположен в выходной плоскости спектрографа 8.

Синхронизатор 12 предназначен для обеспечения синхронной работы исполнительного механизма 9 и регистратора 11. В качестве синхронизатора 12 может быть использован, например, генератор типа Г6-15.

Диспергирующий элемент 15 может быть выполнен в виде призмы.

Оптический профилометр работает следующим образом.

Расходящийся пучок излучения от источника 1 белого света падает на коллиматор 6 интерферометра 2. Параллельный пучок излучения, сформированный коллиматором 6, освещает пластины 4, 5 интерферометра 2. Интерферометр 2 формирует интерференционную картину, которая с помощью первого коллиматора 6 фокусируется на поворотном зеркале 7 интерферометра 2.

В случае, когда согласованный оптический фильтр 17 отсутствует, излучение, спектр которого соответствует выбранной длине волны, поступает на поворотное зеркало 7 и далее на объектив 3, который строит изображение поверхности исследуемого образца 4 в интерферирующих лучах на входе спектрографа 8.

В частном случае, когда оптический профилометр содержит согласованный оптический фильтр 17, последний выделяет выбранный участок спектра излучения, поступающего с поворотного зеркала 7, а объектив 3 также, как и в предыдущем случае, строит изображение исследуемой поверхности пластины 4 в интерферирующих лучах на входе спектрографа 8.

Поскольку длины волн, соответствующие максимумам интерференционной картины однозначно связаны с расстоянием между пластинами 4, 5 интерферометра 2, то спектральный состав излучения в каждой точке изображения, построенного объективом 3, также однозначно определяется исследуемой поверхности.

При перемещении с помощью исполнительного механизма 9 входа световода 13 в плоскости изображения исследуемой поверхности световод 13 передает излучение соответствующего спектрального состава на вход второго коллиматора 14. Второй коллиматор 14 осуществляет формирование параллельного пучка излучения, поступающего с выхода световода 13. Диспергирующий элемент 15 обеспечивает угловое расщепление по длинам волн излучения, поступающего с второго коллиматора 14. Фокусирующая линза 16 преобразует угловое распределение излучения в пространственное, т.е. строит спектр излучения, поступающего на ее вход с диспергирующего элемента 15, на фоточувствительном элементе координатоуказателя 10. Координатоуказатель 10 осуществляет измерение положения максимума построенного спектра, которое соответствует положению энергетического центра светового пятна на фоточувствительном элементе координатоуказателя 10. Если при перемещении с помощью исполнительного механизма 9 входа световода 13 в плоскости изображения исследуемой поверхности изменяется спектральный состав излучения, то изменяется и пространственное положение энергетического центра светового пятна на фоточувствительном элементе координатоуказателя 10. Напряжение, формируемое на выходе координатоуказателя 10, соответствует пространственному положению энергетического центра светового пятна на фоточувствительном элементе, поэтому изменение последнего вызывает изменение указанного напряжения. Напряжение с выхода координатоуказателя 10 подается на синхронизированный синхронизатором 12 с исполнительным механизмом 9 регистратор 11, шкала которого предварительно соответствующим образом прокалибрована. Таким образом, изменение напряжения, регистрируемого регистратором 11, соответствует профилю исследуемой поверхности.

Использование: изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом использования изобретения является повышение точности изобретений, а также обеспечение возможности исследования поверхностей больших линейных размеров (порядка 1 м). Сущность изобретения: результат достигается тем, что в оптическом профилометре реализованы построение на фоточувствительном элементе координатоуказателя спектров излучений, соответствующих в совокупности изображению профиля исследуемой поверхности, и сравнение положений максимумов спектров. Точность измерений ограничена лишь динамическим диапазоном координатоуказателя, с помощью которого осуществляют измерение положений максимумов спектров, и составляет не менее чем λ/1000 , а размер исследуемой поверхности ограничен только мощностью используемого источника света. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптический профилометр, содержащий источник белого света и расположенный на оптической оси интерферометр, образованный исследуемой поверхностью и референтной пластиной, обеспечивающий формирование по меньшей мере двух лучей белого света и включающий на выходе объектива, а также синхронизатор и регистратор, управляющий вход которого подключен к синхронизатору, отличающийся тем, что он снабжен установленными последовательно на оптической оси за интерферометром спектрографом, вход которого оптически сопряжен с плоскостью изображения исследуемой поверхности, и координатоуказателем, интерферометр и спектограф выполнены с возможностью взаимного перемещения плоскости изображения исследуемой поверхности и входа спектрографа с помощью исполнительного механизма, выход спектрографа оптически связан с координатоуказателем, выход которого подключен к регистратору, а управляющий вход исполнительного механизма соединен с синхронизатором. 2. Профилометр по п.1, отличающийся тем, что интерферометр выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо, на входе которого установлен первый коллиматор, а в фокальной плоскости первого коллиматора установлено поворотное зеркало. 3. Профилометр по п.1 или 2, отличающийся тем, что спектрограф выполнен в виде последовательно установленных на оптической оси второго коллиматора, диспергирующего элемента и фокусирующей линзы, фокальная плоскость которой является выходом спектрографа, а второй коллиматор оптически сопряжен с входом спектрографа через световод. 4. Профилометр по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в него введен согласованный оптический фильтр, расположенный между источником белого света и координатоуказателем.