Интерферометр для контроля плоскостности отражающих поверхностей Советский патент 1992 года по МПК G01B11/24 

Изобретение относится к области неразрушающего когерентно-оптического контроля качества отражающих (не обязательно полированных) преимущественно плоских поверхностей, например кремниевых пластин большого диаметра для производства интегральных схем (вейферов).

Известен интерферометр Маха-Ценде- ра для контроля формы поверхности, содержащий источник когерентного света, расширитель, коллиматор, два полупрозрачных зеркала, эталонное зеркало, изображающий объектив, блок регистрации.

Недостатком данного интерферометра является высокая чувствительность к вибрациям.

Наиболее близким к изобретению является интерферометр наклонного падения для контроля не оптических поверхностей, содержащий источник когерентного света, микрообъектив, объектив, две голографиче- ские дифракционные решетки, второй объектив и блок регистрации и расшифровки интерферограмм. В данном интерферометре коллимированный пучок света падает перпендикулярно на первую дифракционную решетку, которая формирует нулевой и плюс первый порядки дифракции. Плюс первый порядок дифракции падает под углом а на исследуемую поверхность и, отражаясь от нее, попадает под углом на вторую дифракционную решетку, сквозь которую и проходит1 в направлении минус первого порядка. Нулевой же порядок дифракции после прохождения первой дифракционной решетки попадает перпендикулярно на вторую дифракционную решетку и дифрагирует в минус первый порядок под углом а к нормали решетки. Это приводит к наложению после второй дифракционной решетки плоского опорного фронта и исследуемого волного фронта, в результате которого образуется интерфе- рограмма.

Недостатком устройства является высокая чувствительность схемы интерферометра к вибрациям, т.е. при малых случайных смещениях и поворотах (наклонах) двух дифракционных решеток и исследуемой поверхности происходит видоискаженме интеферограммы, которое приводит к низкой надежности контроля. Конструктивным недостатком интерферометра является прямая зависимость размеров двух дифракционных решеток от размеров исследуемой поверхности. Для контроля поверхностей большого диаметра требуется изготовлять дифракционные решетки больших размеров.

Цель изобретения - повышение надежности контроля и расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что

в известном устройстве (интерферометре наклонного падения для контроля не оптических поверхностей), содержащем соосно и последовательно расположенные лазер, микрообъектив и объектив, соосно и последовательно расположенные второй объектив и блок регистрации и делительный элемент, дополнительно введена щелевая диафрагма, установленная между вторым объективом и блоком регистрации в фокусе

второго объектива, делительный элемент установлен за щелевой диафрагмой по ходу излучения и выполнен в виде одномерной фазовой дифракционной решетки, штрихи которой вытянуты вдоль направления,

параллельного отверстию щелевой диа,ф- рагмы, и представляющей собой плоскопараллельную пластину из прозрачного для лазерного излучения материала, на одной стороне которой выполнен пилообразный

рельеф с максимальной высотой h Я /2 (п-1), где Я -длина волны света, п - показатель преломления материала.

Предлагаемое техническое решение обладает следующими отличительными признаками. Во-первых, в схеме с наклонным падением в поперечно-сдвиговом интерферометре интерферограмма образуется двумя исследуемыми волновыми фронтами, смещенными и наклоненными по отношению друг к другу. Поэтому малые случайные смещения и наклоны любых оптических элементов схемы приводят только к малым смещениям интерферограммы и не искажают ее, а это в свою очередь означает повышение надежности и достоверности результатов измерения отклонения поверхности от плоскости. Во-вторых, вместо двух дифракционных решеток в прототипе в поперечно- сдвиговом интерферометре использована

только одна решетка, которая помещена после второго объектива в сходящемся пучке в области фокуса, и поэтому имеет небольшие размеры, независящие от размеров контролируемой поверхности. В-третьих, предложенная оптическая схема с одним делительным элементом позволяет при заданном угле падения контролировать шероховатые поверхности с более высоким уровнем шероховатости, поскольку интерферометрически сравниваются два идентичных волновых фронта, с одинаковой спекл-структурой, несколько смещенных и наклоненных по отношению друг к другу, что приводит к наложению сдвинутых идентичных спекл-структур и образованию интерференционной картины по всему полю наблюдения, т.е. расширяется область использования интерферометра.

На фиг.1 показана оптическая схема поперечно-сдвигового интерферометра наклонного падения; на фиг.2 - делительный элемент, представляющий собой одномер- ную фазовую дифракционную решетку.

Интерферометр для контроля плоскостности отражающих поверхностей содержит соосно и последовательно расположенные лазер 1, микрообъектив 2 и объектив 3, а также соосно и последовательно расположенные второй объектив 4, щелевую диафрагму 5, делительный элемент 6 и блок регистрации 7. Объектив 3 расположен на фокусном расстоянии от микрообъектива 2, а диафрагма 5 расположена в фокусе второго объектива 4. Дифракционная решетка

6расположена за диафрагмой 5 в непосредственной близости от нее, причем штрихи решетки вытянуты вдоль отверстия диафрагмы. Приемное окно блока регистрации

7расположено в плоскости изображения поверхности 8, формируемое вторым объективом 4. Поверхность 8 объектива расположена под углом а к оси лазера 1, ось, на которой расположены второй объектив 4, щель 5, делительный элемент б и блок регистрации 7, лежит в плоскости, образованной осью лазера 1 и нормально к поверхности 8, и направлена под углом о. к поверхности 8.

Делительный элемент 6 представляет собой фазовую одномерную дифракционную решетку, имеющую вид плоскопараллельной пластины, на одной стороне которой имеется пилообразный рельеф, описываемый формулой

h(x)

х -md

2(n-1)

х е md, (m + 1)J, m -N,N

и имеющий период d и максимальную глубину рельефа h гДе длина

волны света, п - показатель преломления материала.

Интерферометр работает следующим образом.

Пучок света от лазера 1 расширяется микрообъективом 2 и попадает на объектив 3, расположенный на фокусном расстоянии от микрообъектива, и коллимируется. Плоский пучок света подходящего диаметра после объектива падает под углом а на

исследуемую поверхность 8 Отраженное от поверхности 8 излучение, которое частично отражается зеркально, частично рассеивается на шероховатостях поверхности, попадает на второй объектив 4, расположенный на оси, лежащей в плоскости падения и направленной под углом к поверхности, равным а. После прохождения объектива 4 зеркальная часть отраженного от поверхности излучения сходится и попадает на щелевую диафрагму 5, которая расположена в фокусе объектива 4, и осуществляет пространственную фильтрацию (не пропускает высокие пространственные частоты) вдоль

направления, перпендикулярного щели диафрагмы. Отфильтрованное по одному направлению излучение попадает на дифракционную решетку б, которая разделяет это излучение по амплитуде- более

80% энергии идет в нулевой и плюс первый порядок дифракции поровну, формируя два идентичных световых потока, несколько смещенных и наклоненных по отношению друг к другу, а остальные 20%

энергии идет в другие порядки дифракции. Смещение полей происходит в направлении, перпендикулярном щели диафрагмы. Сформированные дифракционной решеткой 6 два идентичных наложенных волновых

фронта, имеющих спекл-структуру, сильно вытянутую в направлении перпендикулярном щели диафрагмы, образуют поперечно- сдвиговую интерферограмму, полосы которой преимущественно вытянуты вдоль

направления щели диафрагмы. Полученная интерферофамма регистрируется в блоке регистрации 7, приемное окно которого совпадает с плоскостью изображения исследуемой поверхности 8.

Если центр поверхности 8 расположен на расстоянии а от объектива 4, а центр окна блока регистрации 7 расположен на расстоянии b от объектива, причем а и b связаны уравнением линзы + , где h

фокусное расстояние объектива 4, то будет зарегистрирована интерферограмма, совмещенная с изображением поверхности 8, масштаб которого изменен в b/а раз. Формула изобретения

Интерферометр для контроля плоскостности отражающих поверхностей, содержащий соосно и последовательно расположенные лазер, микрообьектив и объектив, соосно и последовательно расположенные второй объектив и блок регистрации и делительный элемент, отличающийся тем, что. с целью повышения надежности контроля и расширения области использования, он снабжен щелевой диафрагмой, установленной между вторым объективом и блоком регистрации в фокусе второго объектива, делительный элемент установлен за щелевой диафрагмой по ходу излучения и выполнен в виде одномерной фазовой дифракционной решетки, штрихи которой выянуты вдоль направления, параллельного отверстию щелевой диафрагмы, и

представляющей собой плоскопараллельную пластину из прозрачного для излучения материала, на одной стороне которой выполнен пилообразный рельеф с максимальной высотой h А /2 (п-1), где А- длина волны света, п - показатель преломления материала.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение надежности контроля и расширение области использования. Пучок света от лазера 1 расширяется микрообъективом 2 и попадает на объектив 3, расположенный на фокусном расстоянии от микрообъектива 2, и коллимируется. Плоский пучок света после объектива 3 падает под углом а на исследуемую поверхность 8. Отраженное от поверхности 8 излучение, которое частично- отражается зеркально, частично рассеивается на шероховатостях поверхности 8, попадает на второй объектив 4, расположенный на оси, лежащей в плоскости падения и направленной под углом к поверхности, равным а. После прохождения объектива 4 зеркальная часть отраженного от поверхности излучения сходится и попадает на щелевую диафрагму 5, которая расположена в фокусе объектива 4, и осуществляет пространственную фильтрацию вдоль направления, перпендикулярного щели диафрагмы 5. Отфильтрованное по одному направлению излучение попадает на дифракционную решетку 6, которая разделяет это излучение по амплитуде, формируя два идентичных световых потока, несколько смещенных и наклоненных по отношению к друг другу. Сформированные дифракционной решеткой 6 два идентичных наложенных волновых фронта, имеющих спекл-структуру, вытянутую в направлении, перпендикулярном щели диафрагмы 5, образуют попе- речно-сдвиговую интерферограмму, полосы которой вытянуты вдоль направления щели диафрагмы. 2 ил. (Л С XI О О СО го

(Pi/12