CH664438A5

CH664438A5 - Vorrichtung zur ermittlung einer oberflaechenstruktur insbesondere der rauheit.

Info

Publication number: CH664438A5
Application number: CH656/84A
Authority: CH
Inventors: Oskar Dipl-Ing Gerstorfer
Original assignee: Rodenstock Optik G
Priority date: 1983-02-11
Filing date: 1984-02-10
Publication date: 1988-02-29
Also published as: DE3304780A1; US4728196A; DE8303856U1; FR2540988B1; JPH038686B2; DE3304780C2; FR2540988A1; GB2135772A; GB2135772B; GB8402953D0; JPS60310A

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Oberflächenstruktur, insbesondere der Rauheit gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-OS 2 820 910 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist ein Laserstrahl schräg auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet. Mittels einer Diodenzeile oder eines Diodenfeldes wird die Winkelverteilung des reflektierten Lichts für Winkel um den Reflexionswinkel der idealen Oberfläche gemessen und aus der Winkelverteilung die Oberflächenstruktur ermittelt. - Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist, dass die Zuordnung zwischen dem in einen bestimmten Raumwinkel gestreuten Licht und den einzelnen Dioden des Diodenarrays sehr empfindlich vom Abstand der Vorrichtung von der zu untersuchenden

Oberfläche sowie von der Grösse des Leuchtflecks auf der Oberfläche abhängt. Andererseits ergeben sich - je nach verwendetem Lasertyp - insbesondere dann, wenn die Oberfläche mit einem sehr kleinen «Leuchtfleck» untersucht werden soll, Intensitätsprobleme.

Eine Vorrichtung anderer Art ist aus der DE-OS 3 037 622 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird ein paralleler Lichtstrahl mit kleinem Querschnitt senkrecht auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet und die Winkelverteilung des reflektierten Lichts mittels einer Diodenzeile gemessen. Aufgrund des senkrechten Einfalls wird der Lichtstrahl im wesentlichen in sich selbst zurückreflektiert; deshalb ist es erforderlich, im Strahlengang einen Lichtteiler vorzusehen. Da sowohl der auftreffende Lichtstrahl als auch das reflektierte Lichtbündel den Strahlteiler passiert bzw. von diesem umgelenkt werden, wird die nutzbare Intensität insgesamt etwa auf ein Viertel herabgesetzt. Hierdurch ergeben sich insbesondere bei kritischen Oberflächenstrukturen Intensitätsprobleme. Darüber hinaus hängt auch bei dieser bekannten Vorrichtung anderer Art die Zuordnung zwischen dem in einen bestimmten Raumwinkel reflektierten Licht und den einzelnen Dioden des Diodenarrays empfindlich vom Abstand der Vorrichtung von der zu untersuchenden Oberfläche ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, dass der Abstand zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenstruktur in weitem Umfange variiert werden kann, ohne dass die Zuordnung zwischen dem in einen bestimmten Raumwinkel reflektierten Licht und den einzelnen Messelementen verlorengeht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Da das Licht-Detektorarray in der Brennebene des Linsensystems, das das von der Oberfläche reflektierte Strahlenbündel auf das Detektorarray abbildet, angeordnet ist, bleibt die Zuordnung zwischen dem unter einem bestimmten Winkel reflektierten Licht und den einzelnen Messelementen des Detektorarrays auch bei grösseren Abstandsänderungen weitgehend erhalten. Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass der Abstand zwischen der Vorrichtung und der zu untersuchenden Oberfläche um etwa ±30% variiert werden kann, ohne dass die Ermittlung der Oberflächenstruktur und insbesondere der Rauheit beein-flusst würde.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1 hat darüber hinaus noch eine Reihe von Vorteilen: Durch den schrägen Einfall des Lichtstrahls auf die Oberfläche ist kein Strahlteiler erforderlich, der die Intensität des Lichtes verringern würde. - Zudem erhält man durch die Fokussierung eines parallelen Strahlenbündels auf der Oberfläche eine hohe Intensität auch bei einem kleinen «Untersuchungsfleck» (Leuchtfleck). - Ferner bleibt auch bei grösseren Leuchtfleck-Durchmessern die Zuordnung zwischen dem Licht, das von den einzelnen Punkten des Leuchtflecks unter einem bestimmten Winkel reflektiert wird, und den einzelnen Messelementen des Licht-Detektorarrays erhalten. Dies hat seine Ursache ebenfalls darin, dass sich das Detektorarray in der Brennebene des Linsensystems befindet, anders ausgedrückt, dass das Linsensystem und das Detektorarray ein Fouriersystem bilden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Verwendung eines gemeinsamen Linsensystems für den auftreffenden und den reflektierten Strahl gemäss Anspruch 2 führt zu einem einfacheren Aufbau der Vorrichtung.

Natürlich ist es bei der erfindungsgemässen Vorrichtung

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möglich, beliebige Licht-Detektoranordnungen und Messelemente zur Messung der Winkelverteilung des reflektierten Lichtes zu verwenden. Beispielsweise kann das Detektorarray ein Messelement-Feld sein. Wenn jedoch beispielsweise aufgrund des Bearbeitungsverfahrens der Oberfläche die Charakteristik der Rauheit überwiegend nur in einer Richtung zu erwarten ist, ist es vorteilhaft, gemäss Anspruch 3 eine zeilenförmige Anordnung von Lichtdetektoren bzw. von Messelementen zu verwenden.

Als Messelemente können beliebige Lichtempfänger eingesetzt werden, die das auftreffende Licht in ein elektrisches Signal umsetzen, wie beispielsweise Phototransistoren, Photodioden, CdS-Zellen oder dgl. Besonders vorteilhaft ist es, als Detektorarray eine handelsübliche Photodiodenzeile zu verwenden.

Natürlich ist es auch möglich, mit einer zeilenförmigen Anordnung von Messelementen eine flächenhafte Streulichtverteilung zu erfassen, wenn das reflektierte Strahlenbündel gemäss Anspruch 5 oder 6 auf der zeilenförmigen Anordnung von Messelementen gedreht wird. Auf diese Weise wird die flächenhafte Streulichtverteilung in zeitlicher Folge linienförmig abgefragt.

Wie bereits erwähnt, hat die erfindungsgemässe Vorrichtung den Vorteil, dass - unabhängig von der Grösse des Leuchtflecks - von beliebigen Punkten des Leuchtflecks unter demselben Winkel ausgehende Strahlen auf das gleiche Messelement des Detektorarrays auftreffen. Damit ist es ohne weiteres möglich, die Grösse des Leuchtflecks bzw. des Untersuchungsflecks dem jeweiligen Messziel anzupassen. Zu einer genauen Untersuchung wird man einen kleinen Leuchtfleck wählen, während für eine Übersichtsmessung ein Leuchtfleck mit grossem Durchmesser vorteilhaft ist. Im Anspruch 7 ist eine besonders einfache Möglichkeit zur Änderung der Grösse (Durchmesser) des Leuchtflecks gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemässe Vorrichtung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung, und

Fig. 4 eine Ansicht einer an sich bekannten optischen Dreheinrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Ermittlung einer Oberflächenstruktur und insbesondere der Rauheit. Die nur schematisch dargestellte Vorrichtung weist eine Lichtquelle 1, einen Kollimator 2, ein Messobjektiv 3 und eine Diodenzeile 5 auf.

Eine zu untersuchende Oberfläche hat von der Vorrichtung (d.h. von der vorderen Hauptebene des Messobjektivs 3) einen Abstand, der annähernd gleich der Brennweite f des Messobjektivs 3 ist.

Das von der Lichtquelle 1 ausgehende Licht wird von dem Kollimator 2 parallelisiert und trifft ausserhalb der optischen Achse 6 des Messobjektivs auf das Messobjektiv 3 auf. Der parallele Lichtstrahl wird von dem Messobjektiv 3 auf der Probenoberfläche 4 fokussiert. Von nichtstreuenden Proben, wie optischen Spiegeln, geht das «divergierend» reflektierte Lichtbündel ebenfalls durch das Messobjektiv 3 hindurch und wird von diesem parallelisiert. Das parallele Lichtbündel trifft auf die Diodenzeile 5 auf, die in der hinteren Brennebene des Messobjektivs liegt. An streuenden Proben werden unter gleichem Winkel gestreute Lichtbündel auf eine

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diesem Winkel eindeutig zugeordnete Stelle auf der Diodenzeile fokussiert. Da die Diodenzeile in der Brennebene des Messobjektivs liegt, ändert sich die Zuordnung zwischen dem unter einem bestimmten Winkel (Raumwinkel) reflektierten Licht und den einzelnen Dioden der Diodenzeile auch bei grösseren Änderungen des Abstandes «Messöbjektiv 3/ Probenoberfläche 4» praktisch nicht. (Anders ausgedrückt bilden das Messobjektiv 3 und die Diodenzeile 5 ein Fouriersystem.) In der Praxis hat es sich herausgestellt, dass Abstandsänderungen bis zu ±30% keinen nennenswerten Einfluss auf die Ermittlung der Oberflächenstruktur haben. Durch die Anordnung der Diodenzeile 5 in der Brennebene des Messobjektivs 3 wird ferner erreicht, dass alle von den verschiedenen Punkten des Messflecks unter demselben Winkel emittierte Lichtstrahlen auf die gleiche Diode der Diodenzeile auftreffen.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemässe Vorrichtung, wobei die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Auf der Diodenzeile 5 ist schematisch die Verteilung des reflektierten Lichts dargestellt.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung. Anstelle des gemeinsamen Messobjektivs 3 bei der Vorrichtung gemäss den Fig. 1 und 2 werden bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Objektive 3' und 3" verwendet. Das Objektiv 3' fokussiert das parallele Lichtbündel, das vom Kollimator ausgeht, auf der Probenoberfläche 4, während das Objektiv 3" das reflektierte Lichtbündel auf der Diodenzeile 5 abbildet. Ansonsten ist der Aufbau gleich dem Aufbau des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung befindet sich ein an sich bekanntes Dove-Prisma 7 in dem Strahlengang zwischen dem Messobjektiv 3 bzw. dem Objektiv 3" und der Diodenzeile 5. Dreht man das Dove-Prisma 7, so ist es möglich, eine flächenhafte Streulichtverteilung in zeitlicher Folge linienförmig abzufragen. Ferner kann auch ein Schmidt-Pechan-Prisma o. dgl. verwendet werden. Bei einer praktischen Realisierung der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele haben das Messobjektiv 3 bzw. die Objektive 3' und 3" eine Brennweite von ca. 25 mm. Die Diodenzeile 5 weist 20 Messpunkte bzw. Dioden bei einer Länge von ca. 20 mm auf. Die Achse des auf die Probenoberfläche 4 auftreffenden fokussierten Strahls schliesst mit der Flächennormale der (idealen) Oberfläche einen Winkel von ca. 20° ein.

Der Leuchtfleckdurchmesser ist typischerweise 2 mm. Die spezielle Eigenschaft der erfindungsgemässen Vorrichtung -die strenge Zuordnung zwischen Reflexionswinkel und Messelement (Diode) der Diodenzeile - ermöglicht jedoch eine Variation des Leuchtfleckdurchmessers in weiten Grenzen. Beispielsweise kann durch Änderung der Brennweite des Kollimators von 5 mm bis 30 mm und/oder der Art der Lichtquelle 1 der Leuchtfleckdurchmesser zwischen 5 (im und 4 mm geändert werden, so dass auch kleinste Messobjekte erfasst werden können. Dies wird durch den telezen-trischen Strahlengang zwischen dem Kollimator 2 und dem Messobjektiv 3 bzw. 3' möglich. Als Lichtquellen 1 können Laserdioden, Leuchtdioden, Glühlämpchen oder dgl. verwendet werden. Auch ist es möglich, die Lichtquelle 1 und den Kollimator 2 durch einen Laser zu ersetzen. Natürlich kann auch mit Licht ausserhalb des sichtbaren Bereichs gearbeitet werden. Ferner kann die in den Ausführungsbeispielen dargestellte Diodenzeile 5 durch ein Detektorenfeld, beispielsweise ein Diodenfeld oder ein Phototransistorenfeld, ersetzt werden. Ein derartiges Licht-Detektorenfeld erlaubt die sofortige Bestimmung einer flächenhaften Streulichtverteilung. Daneben ist es bei Verwendung einer zeilen-

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förmigen Detektoranordnung möglich, diese zur Bestim- der DE-OS 3 037 622 ist beschrieben, dass die Auswerteschal-

mung der flächenhaften Streulichtverteilung zu drehen. tung aus den Ausgangssignalen der Messelemente die Rau-

Unabhängig von der speziellen Ausführungsform hat die heit der Oberfläche nach den Gleichungen erfindungsgemässe Vorrichtung den Vorteil, dass auch bei n flächenhafter Probenbeleuchtung eine eindeutige Zuord- ss,= ]T |wi-w|x • p. x = 1 oder 2 (a)

nung zwischen Streuwinkel und Abbildung auf die Dioden- j = i zeile besteht. Ferner ist aufgrund des schrägen Einfalls auf die Probenoberfläche die Verwendung eines Strahlteilers n unnötig, wodurch sich ein Intensitätsgewinn um den Faktor w= Y. Wi • P> 03) 4 ergibt. Letztlich ist durch den erfindungsgemässen Aufbau io • = 1 und gegebenenfalls durch die Verwendung eines gemeinsamen Objektivs für die Abbildung auf die Probenoberfläche _ P' ' 8'

und die Abbildung auf das Detektorarray eine kompakte n

Bauweise der Vorrichtung möglich. Y. Di • gi ^

Diese Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung îs i = 1 eröffnen grössere Möglichkeiten als die bekannten Vorrichtungen, aus den Ausgangssignalen der Messelemente Kenn- ermittelt, wobei grossen für die Oberflächenstruktur und insbesondere für die w. der von dem jeweiligen Messelement erfasste Winkel der

Rauheit zu ermitteln, so dass praktisch alle bekannten Aus- Streustrahlung,

werteverfahren für die Ausgangssignale des Arrays ver- 20 n die Anzahl der zur Auswertung herangezogenen Detek-

wendbar sind. Insbesondere ist es ohne weiteres möglich, toren,

eine Auswerteschaltung zu verwenden, die integrale Kenn- w der Mittelwert aus den Werten pi und wì,

werte liefert, wie sie beispielsweise in der DE-OS 3 037 622 pi das nach Gleichung c) nomierte Messsignal Di, und oder der DE-OS 2 356 535 beschrieben sind. Beispielsweise in gi Korrekturfaktoren für das Messsignal Di ist.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenstruktur und insbesondere der Rauheit einer Oberfläche, bei der ein Abbildungs-Linsensystem (3 ; 3') ein Strahlenbündel auf die Oberfläche (4) abbildet, deren Flächennormale mit der Achse des Strahlenbündels einen Winkel 4= 0° einschliesst, und ein Linsensystem (3 ; 3") das von der Oberfläche (4) reflektierte Licht auf ein Licht-Detektorarray (5) lenkt, dessen Abstand von dem Linsensystem (3 ; 3") in etwa gleich der Brennweite (f) des Linsensystems ist, und dessen Ausgangssignale an eine Auswerteschaltung angelegt sind, die aus der vom Detektorarray erfassten Winkelabhängigkeit des reflektierten Lichts für Winkel um den Reflektionswinkel die Oberflächenstruktur ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungs-Linsensystem einen Abstand von der zu untersuchenden Oberfläche (4) hat, der näherungsweise gleich der Brennweite (f) des Abbildungs-Linsensystems (3 ;

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Linsensystem (3) das parallele Strahlenbündel auf der Oberfläche fokussiert und das reflektierte Strahlenbündel auf das Detektorarray (5) abbildet.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeilenförmige Anordnung von Lichtdetektoren das Detektorarray (5) bildet.

3 ' ) ist, dass das Strahlenbündel vor dem Abbildungs-Linsensystem ein paralleles Bündel ist und dass das Linsensystem (3 ; 3'), das das von der Oberfläche reflektierte Strahlenbündel auf das Detektorarray (5) lenkt, einen Abstand von der Oberfläche hat, der näherungsweise gleich der Brennweite (f) des Linsensystems (3 ; 3 ' ) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtdetektoren Photodioden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorzeile (5) und das reflektierte Strahlenbündel während der Messung relativ zueinander gedreht werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Dreheinrichtung (7), wie ein Dove-Prisma oder ein Schmidt-Perchan-Prisma, das reflektierte Strahlenbündel auf der Detektorzeile (5) dreht.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle (1) und ein Kollimator (2) das parallele Strahlenbündel erzeugen, und dass das Verhältnis der Brennweiten des Kollimators (2) und des Abbildungs-Linsensystems (3 ; 3') und/oder die Art der Lichtquelle (1) zur Änderung der Grösse des Leuchtflecks auf der zu untersuchenden Oberfläche (4) änderbar sind.