Лазерный профилограф Советский патент 1983 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к иэмерИ тельной технике и может быть исполь зовано, в частности для контроля профиля полупроводниковых пластин и фотошаблонных заготовок. Известно устройство для контроля формы поверхностей, в основу которог ,заложен интерферометр Майкельсона 13. В этом устройстве измеряемый обр зец устанавливают в одно из плеч ин терферометра и перемещают перпендикулярно- падающему на него лучу. HeflocTaTJKoM известного устройств является большая погрешность измере ния, связанная с неплоскостностыо базовой поверхности, по которой перемещается каретка с измеряемым образцом. Кроме того, наличие пере метающейся каретки конечной масеы ограничивает скорость сканирования. Перемещение образца относительно падающего на него луча снижает надежность работы устройства, не обеС печивает качественный контроль поверхности,. Наиболее близким к изобретению по технической сущности явлйется лазерный профилограф, содержащий лазер и расположенные по ходу луча лазера два светоделителя, блок сканирования луча лазера, индикатор луча лазера, координатно-чувстзител ный приемник, визир и предметный столик зТ . . . В указанном лазерном профйлографе блок сканирования выполнен в виде восьмигранной вращающейся призмы и имеются три светоделителя, два плоских зеркала и четырехгранная призма, направляющая лазерный луч на блок сканирования,, двухлинзовый коллиматор. Первый светоделитель направляет часть потока на индикатор лазерного излучения, светоделитель направляет часть лазерного излучения через плоские зеркала на двухлинэовый коллиматор, третий светоделитель направляет час отраженного от образца излучения на визирное устройство, которое находится в фокусе двухлинзового коллиматора. В этом фокусе находится также координатно-чувствительный приемник. .Недостатки лазерного профилографа заключаются в сложности изготовления блока сканирования в виде вос мигранной вращающейся призмы, так как неравномерность наклона граней призмы вызывает процессию луча на плоскости координатно-чувствительного приемника и вызывает погрешнос ти в измерении. Сложность.изготовления двухлинзового коллиматрра обу ловливает наличие бферических аберраций и связанных с ними погрешностей измерения. Кроме того, условие расположешия коллиматора, восьмигранной призг-ол и координатно-чувствительного приемника в фокусе коллиматора вносит дополнительные сложности по юстировке профилографа. Конструкция известного лазерноного профило.графа позволяет контролировать профиль поверхност только по диам.етру пластины, а это-, не обеспечивает достаточно полную информацию о качестве поверхности ее. Лазерное излучение заполняет апертуру коллиматора при повороте восьмигранной призмы всего на 7,47®. Это приводит к большим потерям (около 75%) энергии лазерного излучения, что требует применения, более мощны г, а стало быть, и более дорогих лазеРО.Н. Таким образом, указанный профилограф имеет сложную конструкцию и не имеет возможности контроля профиля ло двум координатам. Цель изобретения - упрощение кон- струкции и возможность контроля профиля по двум координатам. Поставленная цель достигается. тем, что в лазерном профилографе, содержащем лазер и расположенные по ходу луча лазера два светоделителя, блок сканирования луча лазера, индикатор луча лазера, координатно-чувствительнкй приемник, вйзир и предметный столик, блок ска нирования выполнен в виде двух четырехгранных призм, последовательно установленных с возможностью вращения относительно осей, параллельных .плоскости предметного столика проекции этих осей на плоскость пред: метного столиг а взаимно перпендикулярны, светодели тел1 установлены последовательно мелсду лазером и блоком сканирования, а размеры граней призм выбирают из УСЛОВИЙ , Acosfoifcsiirt6in 46-arc6 n§) где d - длина граней призм; А - максимальное смещение луча, прошедшего через первую призму, относительно падающего луча лазера по координате, перпендикулярнай оси вращения первой призмы; I OJ максимальны, угол падения луча лазера на грань первой призмы; п показатель преломления материала призм; .г dnj 2А dfift. где - ширина грани второй, при мы ; d,f, - диаметр контролируемой пластины; IA - Б| , где Б - максимальное смещение лу ча, прошедшего вторую , относительно падающего луча лазера по координате, перпендикулярной оси вращения Итерой призмы. На чертеже изображена оптическая схема лазерного профилографа. Лазерный профилограф содержит лазер 1, светоделители 2 и 3, блок сканирования луча лазера в виде двух четырехгранных призм 4 и 5, ось вращения которых перпендикулярна падающему на них лучу, а проекци осей вращения упомянутых призм в . плоскости контролируемой Поверхности взаимно перпендикулярны, индикатор 6 луча лазера, координатно-чувствительный приемник 7, визир 8, предметный столик 9/ диафрагму 10. Лазерный профилограф работает следующим образом, Излучение лазера 1 через диафра I му 10 отражается от светоделителя проходит через второй светоделител 3 и падает на четырехгранную призму 4, ось вращения которой перпендикулярна падающему лучу. При вра.щении призмы 4 угол падения лазерного луча меняется, а вышедший из нее луч остается параллельным лучу падающему и смещается от первоначал ного направления на величину JLА, з висящую от угла поворота призмы 4, Призма 5, ось вращения которой пер пендикулярна лучу, падающему на призму 4, дополнительно смещает луч на величину Б, в результате чего луч лазера 1 скайируёт поверхность измеряемого образца 11 в двух взаим но перпендикулярных плоскостях. Скорость вращения призмы 5 в не- сколько раз меньше скорости враще ния призмы 4, Пройдя призмы 4 и 5, лазерный луч отражается от измеряе fvjoro образца 11, снова проходит призмы 4 и 5, светоделители 2 и 3, падает на координатко чувствительный приемник 7, Часть светового потока, отраженного от светоделителя 3, падает на визир 8. Перед началом измерения наклоном предметного столика 9 отраженный от образца 11 луч направляют в центр визира 8, при этом падающий на координатно-чувствительный .приемник 7 луч также будет находиться по его центру, При вращении призмы 4 лазерный луч пробегает образец 11 в направлении оси X, а при вршцении призмы 5 - в направление оси У, Если для любой точки образца 11 угол ц меиоду лучом падающим и нормалью к поверхности образца 11, характеризующий неровность поверхности, имеет одну и ту же величину, то смещения луча в плоскости координатно-чувствительного приемника 7 и визира 8 не будет, У реальных образцов угол и в направлении осей X и У непрерывно меняется, а падакадий на координатночувствительный приемник 7 луч непрерывно перемещается по его поверхности при повороте призм 4 и 5, причем это смещение пропорционально углуф , .Размер призм 4 и 5 выбираютиз Следуютих соображений, При расчете оптической схемы за основу принимают требование получения максимального отклонения А при минимальных геометрических размерах призм. При повороте призм прошеддаий через них луч не должен. менять своего направления, т,е, должен формировать параллельный пу- чок лучей. Поставленными треб.ованишл удовлетворяет четырехгранная прямоугольная призма, максимальный угол падения для которой 45, Пользуясь геометрическими построениями, законом Синелиуса определяют размеры граней призм из уело л f . «OtV Acos arcsiri-j j . где d - длина граней призм ; А - максимальное смещение луча, прошедшего через первую призму, относительно падающего луча лазера по координате, пер-; пендикулярной оси вращения первой призмы а - мак-симальный угол падения луча лазера на грань пер-вой призмы; п - показатель преломления материала,призм; fS 2 г dnft. 2А d, , где г - ширина грани второй призмы; d - диаметр контролируемой пластины;W И1 где Б - максимальное смещение луча, прошедшего вторую призму, относительно падающего, луча лазера по

координате, перпендикулярной оси врацения второй призмы.

Описанное устройство позволяет упростить конструкцию, т.к, нет необходимости выполнять сложное сканирунхцее устройство, содержащее вращаюадееся восьмигранное зеркало и безабберационный двУхлинзовый коллиматор, и нет необходимости устанавливать оптические элементы в фокусе. в предлагаемом профилографе коллима тор отсутствует вообще Кроме того, описанный профилограф позволяет определять профиль поверхности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

ЛАЗЕРНЫЙ ЙРОФИЛОГРАФ,: Сидержащий лазер и расположенные по ходу луча лазера два светоделителя., блок сканирования луча лазера, индикатор луча лазера, координатночувствительный приемник, визир и; Предметный столик, от л и ч а ю щ и йен тем, что, с целью упро- . щения конструкции и возможности контроля профиля по двум координатам, блок сканирования выполнен в виде двух четырехграннь1Х пРИЗМ, последовательно установленных с возможностью вращения относительно осей, параллельных плоскости предметного столика, проекции этих осей на плоскость предметного столика взаимно перпендикулярны, свето:делители установлены последобатель;но между лазером и блоком ск нирования, а размеры граней призм выби;рают ,из условий i ACOS UJPCSA ri 1 S;n