УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2002 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного фотометрического определения шероховатости и качества сверхгладких поверхностей плоских металлических полупроводниковых, а также диэлектрических изделий, как прозрачных, так и обладающих объемным рассеянием, например различных подложек, пленок и т.п.

Известно устройство для контроля шероховатости зеркальных поверхностей, содержащее лазер, собирающее зеркало с отверстием для ввода лазерного излучения, фотоприемник [1]. Наличие в известном устройстве эталонного плоского зеркала ограничивает диапазон контроля шероховатости, поскольку сверхгладкие поверхности могут не иметь шероховатость, много меньшую шероховатости эталонного зеркала. Нестабильность источника излучения, экранирования диффузно отраженной компоненты эталонным и поворотными зеркалами вносят существенные погрешности в определение шероховатости сверхгладких поверхностей. Собирающее зеркало направляет на фотоприемник диффузно отраженные компоненты от контролируемой поверхности и объемного рассеяния, что делает невозможным достоверный контроль шероховатости изделий, обладающих объемным рассеянием.

Известно устройство для контроля шероховатости зеркальных поверхностей, содержащее лазер, собирающее зеркало, два фотоприемника для регистрации соответственно диффузной и зеркальной компонент отраженного света [2].

Известное устройство не обеспечивает достаточные точность и достоверность контроля шероховатости сверхгладких поверхностей изделий, обладающих объемным рассеянием, поскольку собирающее зеркало направляет на фотоприемник как диффузную компоненту, отраженную от контролируемой поверхности, так и диффузную компоненту объемного рассеяния.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для определения шероховатости поверхности, содержащее лазер, эллипсоид вращения с внутренней зеркальной поверхностью и с отверстиями, расположенными в плоскости падения лазерного пучка, ось которого совмещена с первым фокусом эллипсоида, фотоприемник, расположенный во втором фокусе эллипсоида [3].

Известное устройство используется для контроля качества поверхности за счет измерения интегральной интенсивности диффузной компоненты отраженного света. При этом зеркальная компонента отраженного света выводится через отверстие из эллипсоида, а диффузная фокусируется эллипсоидом на чувствительную поверхность фотоприемника, по сигналам которого оценивается шероховатость или наличие дефекта. Для обеспечения максимальной чувствительности к дефектам фотоприемник, как правило, ориентирован перпендикулярно большой оси полуэллипсоида. Однако известное устройство в силу указанных особенностей не обеспечивает достаточное различие дефекта и шероховатости поверхности. Наличие дефекта, изменение плоскостности в области контроля приводят к паразитной засветке зеркальной компонентой диффузной компоненты, что ограничивает точность и достоверность контроля шероховатости поверхности. Возможность обеспечения высокой точности определения шероховатости ограничена также необходимостью градуировки устройства образцовыми мерами шероховатости, а значит, точностью последних. Поскольку для сверхгладких поверхностей интенсивность диффузной компоненты значительно меньше интенсивности зеркальной, то нестабильность лазерного излучения приводит к нестабильности интегральной интенсивности диффузной компоненты, а значит, к дополнительным погрешностям в определении шероховатости, которые также ограничивают возможность более точного измерения шероховатости сверхгладких поверхностей. При попытке контроля рассеивающих диэлектриков и других плоских изделий, обладающих объемным рассеянием, диффузная компонента, отраженная от контролируемой поверхности, засвечивается диффузной компонентой объемного рассеяния, также нестабильной в случае нестабильности лазерного излучения, что препятствует точному и достоверному определению шероховатости, существенно ограничивает возможность ее определения для указанных изделий.

Согласно изобретению предлагается устройство для определения шероховатости и контроля качества сверхгладких поверхностей. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении точности определения шероховатости и возможности контроля рассеивающих диэлектриков и других изделий, обладающих объемным рассеянием.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что устройство для определений шероховатости поверхности, включающее лазер, оптически связанный с ним эллипсоид вращения с внутренней зеркальной поверхностью и с отверстиями, расположенными в плоскости падения лазерного пучка, ось которого совмещена с первым фокусом эллипсоида, первый фотоприемник, расположенный во втором фокусе эллипсоида, дополнительно содержит второй фотоприемник, расположенный на оптической оси зеркальной компоненты отраженного света и оптически сопряженный с эллипсоидом через его выходное отверстие, а также третий фотоприемник, установленный во втором фокусе эллипсоида, при этом первый фотоприемник ориентирован чувствительной поверхностью на выходное отверстие.

Как правило, для плоских металлических и полупроводниковых сверхгладких поверхностей индикатрисса отражения состоит из зеркальной и диффузной компонент, причем индикатрисса рассеяния диффузной компоненты узконаправлена, имеет максимум, совпадающий с направлением распространения зеркальной компоненты, сильно вытянута в направлении последней и имеет меньшую по сравнению с ней интегральную интенсивность. Существует ряд диэлектрических подложек (керамики, металлов), которые кроме поверхностного обладают также и объемным рассеянием. Индикатрисса отражения сверхгладких поверхностей таких изделий помимо зеркальной и диффузной компонент состоит также из диффузной компоненты объемного рассеяния. Причем для образцов с высоким объемным рассеянием индикатрисса объемного рассеяния имеет вид близкий к сферическому. Для ряда относительно прозрачных изделий зондирующее излучение может достигать задней поверхности плоского образца, но при этом испытывает объемное рассеяние (стекла, неоднородные кристаллы, поликоры и т.п.). Индикатрисса отражения для таких образцов состоит из зеркальной и диффузной компонент, отраженных от контролируемой поверхности, диффузной компоненты объемного рассеяния и зеркальной и диффузной компонент, отраженных от противоположной контролируемой поверхности. Наличие в заявляемом устройстве отверстия для вывода зеркальной компоненты обеспечивает возможность разделения диффузной и зеркальной компонент, отраженных от контролируемой поверхности изделия. Ввиду узконаправленности индикатриссы диффузной компоненты ориентация первого фотоприемника на отверстие для вывода обеспечивает возможность фокусировки (концентрирования) диффузной компоненты на чувствительную поверхность первого фотоприемника и измерение интегральной интенсивности диффузной компоненты. Второй фотоприемник, установленный указанным образом, обеспечивает возможность регистрации интегральной интенсивности зеркальной компоненты. Третий фотоприемник благодаря установке в фокусе эллипсоида ориентирован своей чувствительной поверхностью вне зоны воздействия диффузной компоненты, отраженной от контролируемой поверхности, что обеспечивает возможность измерения интегральной интенсивности диффузной компоненты объемного рассеяния (при контроле рассеивающих диэлектриков) либо дополнительную идентификацию дефекта при контроле металлических и полупроводниковых поверхностей.

Шероховатость поверхности определяют по отношению интегральных интенсивностей диффузной и зеркальной компонент, отраженных от контролируемой поверхности изделия, что позволяет учесть нестабильность источника излучения за счет одновременного измерения интенсивностей.

Шероховатость поверхности может быть определена по формуле

где I_д - интегральная интенсивность диффузной компоненты отраженного света;
I_з - интегральная интенсивность зеркальной компоненты отраженного света;
R_z - средняя высота неровностей профиля;
C - постоянная устройства, зависящая от угла падения и длины волны света (при коэффициенте отражения поверхности эллипсоида, близком к 1). Коэффициент С может быть определен экспериментально или теоретически.

Благодаря указанной зависимости (1) и конструкции заявляемое устройство может быть использовано для измерения шероховатости любых материалов без предварительной градуировки по известным образцам шероховатости.

При определении шероховатости изделий, обладающих объемным рассеянием, шероховатость поверхностей определяют по формуле

где I_д.о. - интегральная интенсивность диффузной компоненты, отраженной от поверхности изделия, обладающего объемным рассеянием;
I_д.о.р. - интегральная интенсивность диффузной компоненты объемного рассеяния; (параметры I_з, С, R_z - аналогичны формуле (1).

Таким образом, возможность точной и достоверной оценки шероховатости изделий с объемным рассеянием достигается компенсацией влияния объемного рассеяния на диффузную компоненту, отраженную от контролируемой поверхности. При отсутствии дефектов наличие сигнала от третьего фотоприемника позволяет идентифицировать объемное рассеяние в изделиях. При контроле металлических и полупроводниковых поверхностей наличие дефекта приводит к появлению (увеличению) сигнала с третьего фотоприемника, что повышает точность и достоверность идентификации дефекта.

На фиг. 1 схематически изображена оптическая схема заявляемого устройства (сечение в плоскости падения). Фиг. 2 иллюстрирует размещение фотоприемников в фокусе эллипсоида (увеличено). Фиг. 3 иллюстрирует вариант выполнения устройства с отражателем в виде полуэллипсоида.

Заявляемое устройство содержит лазер 1 (см. фиг. 1), эллипсоид вращения 2 с входным 3, выходным 4 отверстиями и отверстием 5 для размещения контролируемого изделия (отверстия 3-5 расположены в плоскости падения), первый 6, второй 7 и третий 8 фотоприемники, причем второй 7 фотоприемник установлен на оси зеркальной компоненты отраженного света, проходящей через ось отверстия 4, и оптически сопряжен с эллипсоидом 2 через отверстие 4, служащее для вывода зеркальной компоненты, а первый 6 и третий 8 фотоприемники установлены во втором 9 фокусе эллипсоида 2. Первый фокус 10 эллипсоида 2 совмещен с оптической осью лазерного пучка и расположен в области отверстия 5. Внутренняя поверхность эллипсоида 2 является зеркальной (позицией не обозначена) с коэффициентом отражения близким к 1. Первый фотоприемник 6 ориентирован (см. фиг. 2) чувствительной поверхностью 11 на отверстие 4 для вывода зеркальной компоненты (ось симметрии фотоприемника 6 совмещена с осью, проходящей из центра отверстия 4 (отмечено пунктиром)), а третий фотоприемник 8 установлен в фокусе 9 так, чтобы в него (на его чувствительную поверхность 12) не попадало излучение от диффузной компоненты, отраженной от контролируемой поверхности и попадало излучение от диффузной компоненты объемного рассеяния. Фотоприемник 7 установлен в оптической ловушке 13, поверхность которой покрыта светопоглощающим материалом. Стрелками на фиг. 1-3 обозначено направление распространения зондирующего пучка и отраженного излучения.

Указанная конструкция заявляемого устройства является фотометрической головкой, размещаемой над или приближаемой к контролируемой поверхности изделия 14, совмещаемой с первым 10 фокусом эллипсоида 2. Выходы фотоприемников 6, 7, 8 соединены с первым, вторым, третьим входами (позициями не обозначены) блока регистрации и обработки информации 15.

Устройство работает следующим образом. Изделие размещают контролируемой поверхностью 14 в первом 10 фокусе эллипсоида 2 в отверстии 5 перпендикулярно плоскости падения лазерного пучка. Световой пучок от лазера 1 через отверстие 3 падает под острым углом на контролируемую поверхность 14 изделия и, отражаясь от неровностей профиля (и/или дефектов) поверхности, разделяется на диффузную и зеркальную компоненты отраженного света. Зеркальная компонента, отраженная от контролируемой поверхности, выводится через отверстие 4, попадает на второй 7 фотоприемник и регистрируется последним. Диффузная компонента, отраженная от контролируемой поверхности 14, фокусируется зеркальной поверхностью эллипсоида 2 на чувствительной поверхности 11 первого 6 фотоприемника и регистрируется последним. Сигналы с фотоприемников 6 и 7 поступают в блок 15, который регистрирует I_д и I_з и определяет шероховатость поверхностей по формуле (1). При необходимости изделие перемещают перпендикулярно плоскости падения, каждый раз измеряя шероховатость поверхности вышеописанным образом, либо дискретно в точках контроля, либо при непрерывном сканировании (узлы и системы для установки и сканирования изделия на фигурах не приведены).

При наличии на металлической или полупроводниковой поверхности дефекта последний приводит к перераспределению интенсивностей диффузной (и зеркальной) компонент(ы). Индикатрисса отражения при этом расширяется и часть излучения фокусируется поверхностью эллипсоида 2 на чувствительной поверхности 12 третьего 8 фотоприемника, наличие сигнала с которого свидетельствует о наличии дефекта в области контроля. При поступлении сигнала от фотоприемника 8 в блок 15 последний исключает результат измерений из оценки шероховатости или подвергает его дополнительной оценке. При сканировании по поверхности по результатам оценок сигналов от фотоприемников 6, 7, 8 делается вывод о размерах и форме дефекта.

При контроле изделий, обладающих объемным рассеянием, часть лазерного излучения отражается от контролируемой поверхности 14, разделяясь на диффузную и зеркальную составляющие, регистрируемые соответственно фотоприемниками 6, 7, а часть проникает в материал и подвергается объемному рассеянию. Часть отраженного в эллипсоид 2 света, претерпевшего объемное рассеяние, попадает на зеркальную поверхность эллипсоида 2 и фокусируется последней на чувствительной поверхности 12 фотоприемника 8 и на чувствительную поверхность 11 фотоприемника 6. Сигналы с фотоприемников 6, 7, 8 поступают в блок 15, где регистрируются и подвергаются обработке в соответствии с формулой (2), обеспечивая тем самым возможность определения шероховатости поверхности.

Равенство долей излучения объемного рассеяния, попадающего в фотоприемники 6 и 8, обеспечивается подбором апертур фотоприемников, ориентацией третьего фотоприемника 8 на равноценные по телесному углу площади поверхности эллипсоида (как правило, это площади, расположенные на 12-50^o от оси зеркальной компоненты). При установке фотоприемников 6, 8 в фокусе 9 необходимо обеспечить непопадание излучения от диффузной компоненты от контролируемой поверхности на фотоприемник 8, что может быть достигнуто за счет увеличения эксцентриситета эллипсоида. В случае контроля полупрозрачных изделий, обладающих объемным рассеянием, изделие помещают на призму с нанесенной на ее поверхность иммерсионной жидкостью (на фигурах не показано), что обеспечивает непопадание в эллипсоид диффузной и зеркальной компонент, отраженных от противоположной контролируемой поверхности.

Вариант выполнения заявляемого устройства, изображенный на фиг. 3, отличается от вышеописанного тем, что в качестве отражателя диффузных компонент использован не эллипсоид, а полуэллипсоид 2, образованный секущей плоскостью, проходящей через большую ось эллипсоида. Это позволяет упростить размещение фотоприемников 6, 8. В описываемом варианте также имеется лазер 1, полуэллипсоид вращения 2 с зеркальной поверхностью с входным 3, выходным 4 отверстиями, с отверстием 5 для размещения изделия 14, первый 6, второй 7 третий 8 фотоприемники, соединенные с блоком для регистрации и обработки информации 15 (обозначения сходный элементов конструкции идентичны). Отверстие 5 выполнено в светопоглощающей пластине 16, прикрепленной к краям полуэллипсоида 2 параллельно большой оси эллипсоида. К пластине 16 крепятся фотоприемники 6, 8 в фокусе 9 полуэллипсоида 2. Плоская наружная поверхность пластины 16 может быть выполнена заподлицо с фокусом 10. Это обеспечивает возможность контроля плоских поверхностей путем прикладывания фотометрической головки к ним.

Следует иметь в виду, что наличие фотоприемника 7 в описываемых вариантах обеспечивает дополнительную возможность точного позицирования (совмещения) контролируемой поверхности 14 и фокуса 10, что определяют по наличию и величине сигнала в фотоприемнике 7. Благодаря этому могут быть выявлены дефекты, обусловленные неплоскостностью контролируемых участков поверхности, и учтены при определении шероховатости. Наличие сигнала от фотоприемника 7 может свидетельствовать о готовности поверхности 14 к измерениям (к контролю). В качестве блока 15 для регистрации и обработки информации может быть использована ЭВМ либо специализированный вычислитель. В последнем случае блок может состоять из схемы вычитания, соединенной с фотоприемниками 6, 8, схемы измерения отношения сигналов с фотоприемника и схемы вычитания, логарифмического усилителя и регистрирующего прибора. Возможны иные варианты выполнения блока 15.

Источники информации
1. Устройство для контроля шероховатости зеркальных поверхностей по авт. св. СССР 1046611, МКИ G 01 В 11/30, опубл. 7.10.83.

2. Устройство для контроля шероховатости зеркальных поверхностей. Патент США 3771880, G 01 N 21/48, опубл. 1973.

3. Устройство для определения качеств поверхности. Заявка ФРГ 3626724, G 01 В 11/30, G 01 N 21/88, опубл. 11.02.88 (прототип).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения шероховатости сверхгладких поверхностей и плоских металлических полупроводниковых и диэлектрических изделий. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения шероховатости поверхности. Изобретение включает лазер, оптически сопряженный с ним эллипсоид вращения с внутренней зеркальной поверхностью и с отверстиями, расположенными в плоскости падения лазерного пучка, ось которого совмещена с первым фокусом эллипсоида. Кроме того, оно дополнительно содержит второй и третий фотоприемники, при этом второй фотоприемник расположен на оптической оси зеркальной компоненты отраженного света и оптически сопряжен с эллипсоидом через его выходное отверстие, а третий фотоприемник установлен на втором фокусе эллипсоида, причем первый фотоприемник направлен чувствительной поверхностью на выходное отверстие эллипсоида. 3 ил.

Устройство для определения шероховатости поверхности, включающее лазер, оптически сопряженный с ним эллипсоид вращения с внутренней зеркальной поверхностью и с отверстиями, расположенными в плоскости падения лазерного пучка, ось которого совмещена с первым фокусом эллипсоида, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй и третий фотоприемники, при этом второй фотоприемник расположен на оптической оси зеркальной компоненты отраженного света и оптически сопряжен с эллипсоидом через его выходное отверстие, а третий фотоприемник установлен на втором фокусе эллипсоида, причем первый фотоприемник направлен чувствительной поверхностью на выходное отверстие эллипсоида.