DE102020112489A1

DE102020112489A1 - Optische Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102020112489A1
Application number: DE102020112489.9A
Authority: DE
Inventors: Muneo Yorinaga; Ryoji Kai; Ryota Yamagishi; Kyohei Kotake; Shinji Mukota; Aya TAKAO
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2020-11-19
Also published as: JP2020186970A

Abstract

Eine optische Messvorrichtung weist ein lichtdurchlässiges Element (10) auf, das einen optischen Pfad definiert und durch eine Abdeckung (12) mit einer Öffnung (121) verschlossen ist. Die Abdeckung (12) ist aus einer einzelnen Schicht hergestellt und hat einen vorgegebenen Reflexionsfaktor. Die Abdeckung (12) hat als eine Bezugsoberfläche eine Oberfläche (12a), die die Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements (12) berührt. Ein Verhältnis einer Menge eines Lichts, das von einer Probe (S) reflektiert wird, zu einer Gesamtlichtmenge ist größer als 0,14 und kleiner als 1 eingestellt. Die Gesamtlichtmenge ist eine Summe der Menge des Lichts, das von der Probe (S) reflektiert wird, und einer Menge eines Lichts, das an der Bezugsoberfläche (12a) reflektiert wird. Diese Struktur der optischen Messvorrichtung stellt sicher, dass die Menge des Lichts, das von der Probe (S) reflektiert wird, größer als ein erforderlicher Wert ist, obwohl die Größe eines Punkts eines ausgestrahlten Lichts an einer Oberfläche der Probe (S) verschmälert ist.

Description

HINTERGRUND
TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf eine optische Messvorrichtung.
HINTERGRUNDTECHNIK
Optische Messvorrichtungen sind bekannt, die entworfen sind, um Licht von einer Sonde zu einer Oberfläche einer Probe zu emittieren und dann ein Rücklaufsignal des Lichts von der Probe unter Verwendung eines Lichtempfängers zu empfangen, um das Rücklaufsignal unter Verwendung einer bekannten optischen Interferometrie zu analysieren, um Messungen von Unregelmäßigkeiten der Oberfläche der Probe vorzunehmen.
Unlängst gab es einen Bedarf, dass der vorhergehende Typ einer optischen Messvorrichtung einen lichtbestrahlten Bereich auf einen Punkt verschmälert, dessen Durchmesser in der Größenordnung von beispielsweise Mikrometern ist, um Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche einer Probe in dem schmalen Bereich zu messen. Einem solchen Bedarf kann genügt werden, indem ein Lichtstrahl durch einen Lichtschirm mit einer Öffnung emittiert wird, um den Durchmesser des Punkts des Lichts, das zu der Probe emittiert wird, zu verringern.
Die vorhergehende Art, einen Teil des emittierten Lichtstrahls unter Verwendung des Lichtschirms physisch zu blockieren, um den Durchmesser des Lichtpunkts zu verringern, resultiert jedoch in einer Vergrößerung der Menge an Licht, das von dem Lichtschirm reflektiert wird, und resultiert ferner unerwünscht in einer Verringerung einer Menge an Licht, das von der Oberfläche der Probe reflektiert wird. Dies führt zu einer Verringerung eines Verhältnisses der Menge an Licht, das von der Probe reflektiert wird und dann in den Lichtempfänger eintritt, zu derselben von Licht, das direkt von der optischen Messvorrichtung emittiert wird, was in einer Verringerung der Messgenauigkeit resultiert. Um einen solchen Nachteil zu vermeiden, lehrt die japanische Patenterstveröffentlichung Nr. 2016-42196 eine Verwendung eines Lichtabsorbers, der als ein Lichtschirm dient, um den Durchmesser des Lichtpunkts zu verringern. Der Lichtabsorber arbeitet, um die Menge eines Lichts, das von dem Lichtschirm reflektiert wird, zu verringern, und ein anderes Umgebungslicht als ein Rücklaufsignal eines Lichts, das zu der Oberfläche einer Probe emittiert wurde und dann von derselben reflektiert wurde, zu absorbieren. Dies vergrößert das Verhältnis der Menge an Licht, das von der Probe reflektiert wird, zu derselben von Licht, das zu der Probe emittiert wurde, um eine erforderliche Messgenauigkeit sicherzustellen. Der Lichtabsorber ist jedoch aus einem Stapel einer Mehrzahl von Schichten hergestellt: erste und zweite optisch absorbierende Schichten und eine Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex, was somit in einer unerwünschten Vergrößerung eines Erzeugungsaufwands resultiert.
Statt des Lichtschirms kann jedoch eine Kondensorlinse verwendet werden, um den Punkt des emittierten Lichts zu verschmälern. Eine Verwendung der Kondensorlinse resultiert jedoch abhängig von einer Brennweite in einer Vergrößerung einer Größe einer Sonde. Dies macht es erforderlich, dass die Sonde, die die Kondensorlinse verwendet, weg von einem Ziel anzuordnen ist. Eine Vergrößerung eines Abstands zwischen der Sonde und dem Ziel resultiert jedoch in einem großen Fehler einer Messung.
KURZFASSUNG
Eine Aufgabe dieser Offenbarung besteht daher darin, eine optische Messvorrichtung zu schaffen, die fähig ist, einen Durchmesser eines Punkts eines ausgestrahlten Lichts zu verringern und eine Menge an Licht, das von einem Ziel reflektiert wird, bis auf einen erforderlichen Pegel zu vergrößern, ohne die Größe einer Sonde zu vergrößern.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine optische Messvorrichtung geschaffen, die konfiguriert ist, um Licht auf eine Oberfläche einer Probe auszustrahlen und ein Rücklaufsignal des ausgestrahlten Lichts von der Oberfläche der Probe zu empfangen, mit: (a) einem lichtdurchlässigen Element, das einen Pfad definiert, den das ausgestrahlte Licht und das Rücklaufsignal des ausgestrahlten Lichts durchlaufen; (b) einer Abdeckung, die aus einer einzelnen Schicht hergestellt ist und einen Teil einer Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements bedeckt.
Die Abdeckung hat einen vorgegebenen Reflexionsfaktor und in derselben ist ferner eine Öffnung gebildet, durch die das ausgestrahlte Licht und das Rücklaufsignal des ausgestrahlten Lichts laufen.
Die Abdeckung hat eine Berührungsoberfläche, die in einer Berührung mit der Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements platziert ist und als eine Bezugsoberfläche dient.
Eine gemessene Lichtmenge, wie sie durch ein Verhältnis einer Menge eines von der Probe reflektierten Lichts zu einer Gesamtlichtmenge vorgegeben ist, ist größer als 0,14 und weniger als 1, wobei das von der Probe reflektierte Licht das Rücklaufsignal des ausgestrahlten Lichts von der Oberfläche der Probe ist, und die Gesamtlichtmenge eine Summe einer Menge des von der Probe reflektierten Lichts und einer Menge eines Bezugslichts ist, das ein Teil des ausgestrahlten Lichts ist, das durch die Berührungsoberfläche der Abdeckung reflektiert wird.
Die optische Messvorrichtung ist mit anderen Worten entworfen, um ein lichtdurchlässiges Element mit der Oberfläche zu haben, die den Pfad definiert, den das ausgestrahlte Licht oder das Rücklaufsignal des ausgestrahlten Lichts durchlaufen, und die durch die Abdeckung verschlossen ist. Die Abdeckung ist aus einer einzelnen Schicht mit der Öffnung hergestellt und hat den vorgegebenen Reflexionsfaktor. Die Abdeckung hat die Bezugsoberfläche, die die Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements berührt. Auf Licht, das durch die Berührungsoberfläche reflektiert wird, wird als das Bezugslicht Bezug genommen. Auf das Rücklaufsignal des ausgestrahlten Lichts von der Oberfläche der Probe wird als das von der Probe reflektierte Licht Bezug genommen. Die gemessene Lichtmenge, wie sie durch das Verhältnis einer Menge des von der Probe reflektierten Lichts zu der Gesamtlichtmenge gegeben ist, ist größer als 0,14 und weniger als 1. Die Gesamtlichtmenge ist die Summe der Menge des von der Probe reflektierten Lichts und der Menge des Bezugslichts, das der Teil des ausgestrahlten Lichts ist, das durch die Berührungsoberfläche der Abdeckung reflektiert wird.
Die vorhergehende Struktur stellt sicher, dass das Verhältnis der Menge des von der Probe reflektierten Lichts zu der Gesamtlichtmenge größer als ein erforderlicher Wert ist, obwohl die Größe eines Punkts des ausgestrahlten Lichts verschmälert ist, wodurch ein erforderlicher Genauigkeitsgrad einer optischen Messung gewährleistet wird. Die Verwendung der Abdeckung, die einen Teil der Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements einnimmt und die Öffnung hat, die dazu dient, um den Durchmesser eines Strahls des ausgestrahlten Lichts zu verringern, ermöglicht, dass eine Größe einer Baugruppe des lichtdurchlässigen Elements und der Abdeckung reduziert wird.
In dieser Offenbarung stellen Zeichen in Klammern eine Entsprechungsbeziehung zwischen Ausdrücken in Ansprüchen und Ausdrücken, die in Ausführungsformen beschrieben sind, die später erläutert werden, dar, sind jedoch nicht nur auf Teile beschränkt, auf die in der Offenbarung Bezug genommen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der im Folgenden angegebenen detaillierten Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung vollständiger verstanden werden, die jedoch nicht so aufgefasst werden sollten, dass diese die Erfindung auf die spezifischen Ausführungsformen beschränken, sondern lediglich dem Zweck einer Erläuterung und eines Verständnisses dienen.
Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm, das eine Struktur einer optischen Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt;
2 eine Schnittansicht, die Licht darstellt, das durch ein lichtdurchlässiges Element, das teilweise durch eine Abdeckung verschlossen ist, zu einer Probe emittiert wird;
3 eine Draufsicht, die eine Sonde mit einer Abdeckung darstellt; und
4 eine Detailansicht, die eine Bearbeitungsvorrichtung darstellt, die mit der optischen Messvorrichtung in 1 ausgerüstet ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. Dieselben Bezugsziffern werden sich durch die Ausführungsformen hindurch auf dieselben oder ähnliche Teile beziehen.
Zunächst wird eine optische Messvorrichtung gemäß den Ausführungsformen unter Verwendung der 1 bis 3 erörtert werden. Die optische Messvorrichtung ist entworfen, um einen Lichtstrahl, dessen Durchmesser in einer Größenordnung von Mikrometern liegt und vorzugsweise verwendet wird, um beispielsweise eine Konfiguration einer Oberfläche einer Probe innerhalb eines kleinen Bereichs zu messen, auszustrahlen. Der kleine Bereich, auf den hierin Bezug genommen wird, ist gewählt, um weniger als oder gleich beispielsweise 20µm im Durchmesser zu sein.
STRUKTUR
Die optische Messvorrichtung gemäß der Ausführungsform, wie sie in 1 dargestellt wird, weist eine Sonde 1, optische Fasern 21, 22 und 23, eine Strahlabzweigeinheit 3, eine Ausgabeeinheit 4, einen Lichtempfänger 5 und eine arithmetische Einheit 6 auf. Die Sonde 1 besteht aus einem lichtdurchlässigen Element 10 und einer Abdeckung 12. Die optische Messvorrichtung arbeitet, um durch die Sonde 1 zu einer Oberfläche einer Probe S Licht von der optischen Einheit 4 zu emittieren und ein Rücklaufsignal des Lichts von der Oberfläche der Probe (auf das ferner im Folgenden als reflektiertes Licht RL1 Bezug genommen werden wird) und ein Rücklaufsignal des Lichts von der Abdeckung 12 (auf das ferner im Folgenden als reflektiertes Licht RL2 Bezug genommen werden wird) unter Verwendung des Lichtempfängers 5 zu empfangen. Die optische Messvorrichtung verwendet die reflektierten Lichter RL1 und RL2, um in der arithmetischen Einheit 6 unter Verwendung einer bekannten optischen Interferometrie vorgegebene Operationen durchzuführen.
Einer Bequemlichkeit halber wird in der folgenden Erörterung auf Licht, das aus der Ausgabeeinheit 4 ausgegeben wird, ferner als ausgestrahltes Licht Bezug genommen werden. Auf ein Rücklaufsignal des ausgestrahlten Lichts, das an einer Berührungsoberfläche 12a der Abdeckung 12 reflektiert wird, wie es später im Detail beschrieben werden wird, wird ferner als ein Bezugslicht Bezug genommen werden. Auf ein Rücklaufsignal des ausgestrahlten Lichts, das an der Oberfläche der Probe S reflektiert wird und in den Lichtempfänger 5 eintritt, wird ferner als ein von der Probe reflektiertes Licht Bezug genommen werden.
Die Sonde 1 arbeitet, um Licht, wie es durch die Ausgabeeinheit 4 erzeugt wird, zu der Oberfläche der Probe S zu richten und das von der Probe reflektierte Licht zu empfangen. Die Sonde 1, wie sie in 1 zu sehen ist, weist das lichtdurchlässige Element 10, einen Lichtschirm 11 und die Abdeckung 12 auf. Der Lichtschirm 11 ist aus einem vorgegebenen Material hergestellt und hat eine hohle zylindrische Form, die das lichtdurchlässige Element 10 bedeckt. Das lichtdurchlässige Element 10 hat eine Oberfläche 10a, die eine von axial abgewandten Endoberflächen ist und sich von der Ausgabeeinheit 4 weiter weg befindet. Die Oberfläche 10a liegt außerhalb des Lichtschirms 11 frei. Die Abdeckung 12 bedeckt einen Teil der Oberfläche 10a des lichtdurchlässigen Elements 10.
Das lichtdurchlässige Element 10 definiert einen optischen Pfad, den Licht, wie es durch die Ausgabeeinheit 4 erzeugt wird oder von der Probe S reflektiert wird, durchläuft. Das lichtdurchlässige Element 10 ist aus einem optischen Element, wie zum Beispiel einer optischen Faser, hergestellt. Das lichtdurchlässige Element 10 ist entworfen, um beispielsweise eine kreisförmige zylindrische Form zu haben und mit dem hohlen zylindrischen Lichtschirm 11, der sich in der Längsrichtung des lichtdurchlässigen Elements 10 erstreckt, bedeckt zu sein. Das lichtdurchlässige Element 10 hat axial abgewandte Enden, die das Licht durchläuft. Eines der axial abgewandten Enden weg von der Ausgabeeinheit 4 hat, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde, die Oberfläche 10a. Die Oberfläche 10a des lichtdurchlässigen Elements 10 ist durch die Abdeckung 12 teilweise verschlossen.
Die Abdeckung 12, wie sie bereits in 2 beschrieben wurde, bedeckt einen Teil der Oberfläche 10a des lichtdurchlässigen Elements 10 und hat eine Öffnung 121, die darin gebildet ist. Die Abdeckung 12 gibt einen Teil des ausgestrahlten Lichts durch die Öffnung 121 aus und reflektiert den Rest des ausgestrahlten Lichts an der Berührungsoberfläche 12a derselben mit einem vorgegebenen Reflexionsvermögen. Die Berührungsoberfläche 12a ist ein Teil einer Oberfläche der Abdeckung 12, der die Oberfläche 10a des lichtdurchlässigen Elements 10 berührt. Die Abdeckung 12 arbeitet mit anderen Worten, um die Größe des ausgestrahlten Lichts unter Verwendung der Öffnung 121 zu verschmälern, um einen Lichtpunkt, der einen vorgegebenen Durchmesser hat, zu bilden, und um ferner eine Reflexion des ausgestrahlten Lichts an der Berührungsoberfläche 12a mit einem vorgegebenen Reflexionsgrad zu erreichen, um ein solches reflektiertes Licht als das Bezugslicht für eine Verwendung bei einem optischen Messvorgang zu erzeugen. Kurz gesagt funktioniert die Abdeckung 12, um die Größe des ausgestrahlten Lichts zu verringern, um in einen erforderlichen schmalen Bereich zu fallen, und arbeitet ferner als eine Bezugsoberfläche, um das Bezugslicht zu erzeugen. Die Öffnung 121 der Abdeckung 12 ist entworfen, um eine kreisförmige zylindrische Form zu haben, die durch die Dicke der Abdeckung 12 läuft.
Die Abdeckung 12 hat Endoberflächen, die voneinander über die Dicke derselben abgewandt sind, und von denen eine als die Berührungsoberfläche 12a dient und auf die andere davon im Folgenden als Oberfläche 12b Bezug genommen werden wird. Die Abdeckung 12 hat einen kreisförmigen Umriss, hat mit anderen Worten betrachtet entlang einer Linie, die normal zu der Oberfläche 12b ist, eine Ringform. Die Abdeckung 12 hat die Öffnung 121 einschließlich ihrer Mitte. Die Abdeckung 12 hat einen Außendurchmesser, wie er in 2 und 3 dargestellt ist, der im Wesentlichen identisch mit einem Durchmesser L1 des lichtdurchlässigen Elements 10 in seiner radialen Richtung ist, die senkrecht zu einer Richtung ist, in der sich das ausgestrahlte Licht ausbreitet. Die Öffnung 121 hat einen Durchmesser L2.
Der Durchmesser L1 des lichtdurchlässigen Elements 10 ist gewählt, um weniger als oder gleich beispielsweise 20 µm zu sein. Die Abdeckung 12 ist geformt, sodass der Außendurchmesser gewählt ist, um größer als der oder gleich dem Durchmesser L1 des lichtdurchlässigen Elements 10 zu sein, um die Oberfläche 10a des lichtdurchlässigen Elements 10, außer einem Teil, der gegenüber der Öffnung 121 freiliegt, vollständig abzudecken. Der Durchmesser L2 der Öffnung 121 ist gewählt, um weniger als oder gleich 20 µm zu sein, um die Größe des ausgestrahlten Lichts zu verschmälern, um in einen erforderlichen kleinen Bereich zu fallen. Wenn beispielsweise der Durchmesser L1 des lichtdurchlässigen Elements 10 auf 20 µm eingestellt ist, ist der Durchmesser L2 der Öffnung 121 ausgewählt, um 5 µm zu sein. Der Durchmesser L1 des lichtdurchlässigen Elements 10 und der Durchmesser L2 der Öffnung 121 sind nicht auf die vorhergehenden Werte begrenzt, sondern können alternativ, wie benötigt, geändert sein. Einer Bequemlichkeit halber wird auf ein Verhältnis einer Menge LB des von der Probe reflektierten Lichts RL2 zu der Summe einer Menge LA des Bezugslichts RL1 und der Menge LB des von der Probe reflektierten Lichts RL2, das heißt einen Wert, der gemäß einer Gleichung LB/(LA + LB) abgeleitet wird, als eine gemessene Lichtmenge Lc (die ferner eine gemessene Lichtstärke genannt wird) Bezug genommen werden. Auf die Summe der Menge LA des Bezugslichts RL1 und der Menge LB des von der Probe reflektierten Lichts RL2 wird ferner als eine Gesamtlichtmenge Bezug genommen werden.
Die Abdeckung 12 ist durch einen einzelnen Film gebildet, der aus einem vorgegebenen Material hergestellt ist, das einen erforderlichen Reflexionsgrad oder Reflexionsfaktor hat. Das Reflexionsvermögen der Abdeckung 12 ist gewählt, um die gemessene Lichtmenge Lc, wie sie als eine Funktion eines Durchmesser-Reduzierungsverhältnisses R_d, des Reflexionsvermögens der Probe S und eines Öffnungswinkel eines Laserstrahls (das heißt des ausgestrahlten Lichts) berechnet wird, dazu zu bringen, in einen vorgegebenen Bereich zu fallen. In einem Fall, in dem die Probe S ein metallischer Gegenstand ist, der ein hohes Reflexionsvermögen (zum Beispiel 90 %) hat, ist die Abdeckung 12 aus Kohlenstoff, der ein Reflexionsvermögen von beispielsweise 10 % hat, hergestellt. In diesem Fall kann die Abdeckung 12 aus einer maskenlos strukturierten Schicht, die mittels einer Abscheidung unter Verwendung eines gasförmigen Materials, das Kohlenstoff enthält, und eines fokussierten Ionenstrahls (FIB; FIB = Focussed Ion Beam) gebildet wird, hergestellt sein. Die Abdeckung 12 ist, wenn sie aus Kohlenstoff hergestellt ist, vorzugsweise geformt, um eine Dicke von mehreren zehn Nanometern (nm) oder mehr (zum Beispiel 1 µm) zu haben, um einen Durchlauf eines externen Lichts durch dieselbe zu vermeiden. Ein Bereich der gemessenen Lichtmenge Lc, und wie das Reflexionsvermögen der Abdeckung 12 zu bestimmen ist, werden später im Detail beschrieben werden.
Die Strahlabzweigeinheit 3 arbeitet, um Licht, wie es von der Ausgabeeinheit 4 durch eine optische Faser 22 hin zu der Sonde 1 übertragen wird, zu richten und um ferner Licht, wie es durch die Probe S reflektiert wurde und durch die optische Faser 21 gelaufen ist, und Licht, wie es durch die Abdeckung 12 reflektiert wurde, zu dem Lichtempfänger 5 zu liefern. Die Strahlabzweigeinheit 3 wird üblicherweise eine Faserverbindungsstelle genannt.
Die Ausgabeeinheit 4 dient als eine kohärente Quelle, die Lichtwellen ausgibt, wie zum Beispiel Laserwellen, die miteinander interferieren. Bei dieser Ausführungsform ist die Ausgabeeinheit 4 konstruiert, um einen Laserstrahl auszugeben, der sich mit einem Winkel von 1,5° öffnet (worauf ferner als ein Öffnungswinkel Bezug genommen werden wird), kann jedoch alternativ durch einen anderen Typ einer Lichtquelle implementiert sein.
Der Lichtempfänger 5 empfängt ein Licht, das von der Abdeckung 12 durch eine optische Faser 23 übertragen wird, das heißt ein Licht, das von der Probe S reflektiert wurde. Der Lichtempfänger 5 ist aus einem bekannten Spektroskop, nicht gezeigt, hergestellt, das mit einem Verschluss, einem Sperrfilter, einem Beugungsgitter und einem Fotosensor ausgerüstet ist und arbeitet, um ein Reflexionsspektrum des reflektierten Lichts zu messen. Der Lichtempfänger 5 arbeitet genauer gesagt, um den Verschluss zu einer vorgegebenen Zeit zu betätigen, zum Beispiel wenn es erforderlich ist, den Fotosensor zurückzusetzen, um einen Durchlauf des reflektierten Lichts selektiv zu erreichen oder dasselbe zu blockieren, und um ferner unnötiges Licht, dessen Wellenlänge außerhalb eines Messbereichs liegt, unter Verwendung des Sperrfilters zu blockieren. Der Lichtempfänger 5 verwendet ferner das Beugungsgitter, um Licht zu streuen oder zu teilen, sowie dasselbe durch das Sperrfilter gelaufen ist, um Spektren entsprechend dessen jeweiliger Wellenlängen abzuleiten, Spektren unter Verwendung des Fotosensors zu erfassen und elektrische Signale, wie sie als eine Funktion von Stärken der erfassten Spektren entsprechend den jeweiligen Wellenlängen erzeugt werden, zu der arithmetischen Einheit 6 auszugeben.
Die arithmetische Einheit 6 führt eine mathematische Operation an dem elektrischen Signal, das aus dem Lichtempfänger 5 ausgegeben wird, als eine Funktion einer gemessenen Lichtmenge unter Verwendung einer optischen Interferometrie durch, um den Abstand d von der Oberfläche eines zu messenden Gegenstands (das heißt einer Probe S) zu bestimmen. Es ist in der Technik gut bekannt, wie der Abstand d zwischen der Sonde und der Probe S unter Verwendung der optischen Interferometrie zu berechnen ist, oder wie eine Dicke einer lichttransmissiven Schicht, die an der Probe S gebildet ist, abzuleiten ist.
Die optische Messvorrichtung bei dieser Ausführungsform hat die vorhergehende Grundstruktur.
PUNKTDURCHMESSER DES AUSGESTRAHLTEN LICHTS
In den letzten Jahren war der vorhergehende Typ von optischen Messvorrichtungen erforderlich, um die Größe eines Lichtpunkts zu verschmälern, um feine Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche einer Probe zu beobachten. In beispielsweise einem Fall, in dem die Oberfläche einer Probe durch eine Bearbeitungsvorrichtung geschnitten wird, um kleinste Charakteristiken im Mikrometer- oder Nanometermaßstab daran zu bilden, ist es erforderlich, eine Änderung eines Abstands zwischen der Probe und der Bearbeitungsvorrichtung zu berechnen, um die Rauheit der Oberfläche der Probe zu messen. In einem solchen Fall wird ein zu großer Durchmesser eines Punkts eines ausgestrahlten Lichts relativ zu einem zu bearbeitenden Teil der Probe in einer Vergrößerung der Menge an Licht, das von dem Rest der Probe reflektiert wird, resultieren, was bedeutet, dass sich ein Verhältnis einer Menge an Licht, das von dem bearbeiteten Teil der Probe reflektiert wird, zu derselben des ausgestrahlten Lichts verringert, was zu einer Verringerung der Messgenauigkeit führt.
Das Verschmälern oder Verringern des Durchmessers eines Punkts des ausgestrahlten Lichts, um in einen winzigen Bereich zu fallen, kann daher durch Verschmälern einer Zone, die durch Licht an der Oberfläche einer Probe bestrahlt wird, unter Verwendung eines Lichtschirms mit einer Öffnung erreicht werden. Die Verwendung eines solchen Lichtschirms wird bewirken, dass das ausgestrahlte Licht lediglich zu einer Zielzone, die an der Oberfläche der Probe ausgewählt ist, gerichtet wird, was dadurch in einer Verringerung der Menge an Licht, das von außerhalb der Zielzone an der Probe reflektiert wird, resultiert.
Die Verwendung eines Lichtschirms, um einen Teil des ausgestrahlten Lichts zu blockieren, resultiert jedoch in einer Vergrößerung einer Menge eines Teils des ausgestrahlten Lichts, das an dem Lichtschirm reflektiert wird. Der Lichtschirm bewirkt mit anderen Worten, dass sich die Menge an Licht, das durch den Lichtschirm reflektiert wird, stärker vergrößert als dieselbe des von der Probe reflektierten Lichts RL2, was in einer Reduzierung der optischen Messgenauigkeit resultiert.
Statt der Verwendung des Lichtschirms kann die Sonde 1 entworfen sein, um eine Kondensorlinse zu haben, um die Größe des Lichtpunkts zu verschmälern. Die Verwendung der Kondensorlinse resultiert jedoch in einer unerwünschten Vergrößerung einer Größe der Sonde 1 betreffend die Brennweite der Kondensorlinse, wodurch die Gestaltung der Sonde 1 relativ zu der Probe S begrenzt wird. Je größer der Abstand zwischen der Sonde 1 und der Probe S ist, umso größer wird ein Fehler der optischen Messung als eine Funktion des Abstands sein.
Die Erfinder dieser Anmeldung haben daher das vorhergehende Problem untersucht und sich eine optische Messvorrichtung ausgedacht, bei der eine dünne Schicht an der Sonde 1 als die Abdeckung 12 gebildet ist, um die Größe eines Punkts des ausgestrahlten Lichts zu verschmälern und so, dass die Menge LB des von der Probe reflektierten Lichts RL2 größer als die Menge LA des Bezugslichts RL1 ist.
Die Verwendung der Abdeckung 12, die aus einer einzelnen Schicht hergestellt ist, die einen Teil der Oberfläche 10a des lichtdurchlässigen Elements 10 bedeckt oder verschließt, minimiert einen ungünstigen Effekt einer Lichtreflexion an einer Grenzfläche zwischen dem lichtdurchlässigen Element 10 und Luft auf die optische Messung und resultiert ferner in einer Verringerung des Erzeugungsaufwands verglichen mit herkömmlichen Strukturen. Die Sonde 1 wird lediglich durch Bilden einer Schicht an der einfachen Struktur des lichtdurchlässigen Elements 10, um die Abdeckung 12 herzustellen, erzeugt, wodurch ermöglicht wird, dass die Größe der Sonde 1 verglichen mit einer Struktur, die eine Kondensorlinse verwendet, reduziert wird, was ferner ermöglicht, dass die Sonde 1 enger zu der Probe S angeordnet wird, um die optische Messgenauigkeit zu verbessern.
REFLEXIONSVERMÖGEN DER ABDECKUNG
Die Erfinder dieser Anmeldung haben die optische Messvorrichtung bei der Erfindung untersucht und sich ausgedacht und konstruiert, sodass das Reflexionsvermögen der Berührungsoberfläche 12a der Abdeckung 12 auf einen vorgegebenen Bereich gewählt ist, um den Durchmesser des Punkts des ausgestrahlten Lichts zu verringern, und die Menge des Bezugslichts relativ zu derselben des von der Probe reflektierten Lichts geeignet zu steuern.
Für eine Bequemlichkeit der folgenden Erörterung wird auf ein Verhältnis des Durchmessers L1 des lichtdurchlässigen Elements 10 minus dem Durchmesser L2 der Öffnung 121 zu dem Durchmesser LI, das heißt (L1 - L2)/L1, im Folgenden als das Durchmesser-Reduzierungsverhältnis R_d Bezug genommen werden.
Die optische Messvorrichtung ist genauer gesagt so entworfen, um die gemessene Lichtmenge Lc, die durch eine folgende Gleichung ausgedrückt wird, zu haben, und diese ist so gewählt, um größer als 0,14 und kleiner als 1 zu sein. $L_{c} = \frac{{(1 - R_{d})}^{2} \times A}{{(1 - R_{d})}^{2} \times B + (2 - R_{d}) \times R_{d} \times R_{1}}$
R1 ist das Reflexionsvermögen der Abdeckung 12, und A und B sind Koeffizienten, die später im Detail beschrieben werden.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass, wenn die gemessenen Lichtmenge Lc größer als 0,14 ist, sich der Durchmesser des Punkts des ausgestrahlten Lichts verringern wird, während die Menge LB des an einer Probe reflektierten Lichts RL2, das in den Lichtempfänger 5 eingegeben wird, in einem optisch messbaren Bereich liegen wird, und dass, wenn die gemessenen Lichtmenge Lc weniger als oder gleich 0,14 ist, dies in einer Menge des an einer Probe reflektierten Lichts RL2 resultieren wird, die für die optische Messung unzureichend ist.
In der vorhergehenden Gleichung sind A und B Koeffizienten, die durch ein Berechnen der Menge an Licht, das zu dem Lichtempfänger 5 zurückgelaufen ist, unter Verwendung einer bekannten Formel angesichts einer Öffnung eines Laserstrahls, der von der Ausgabeeinheit 4 (das heißt eine Lichtquelle) emittiert wird, in einem Fall abgeleitet werden, in dem die Menge des Ganzen des Laserstrahls durch eine Gauß'sche Verteilung ausgedrückt wird. A und B werden genauer gesagt als eine Funktion des Reflexionsvermögens der Probe S, des Reflexionsvermögens der Öffnung 121 der Abdeckung 12, des Öffnungswinkel (das heißt eines Divergenzwinkels) von Licht, das aus der Ausgabeeinheit 4 ausgegeben wird, und des Abstands d zwischen der Probe S und der Sonde 1 bestimmt und ändern sich insbesondere abhängig von dem Reflexionsvermögen der Probe S, mit anderen Worten, dem Typ eines Materials der Probe S. Das Reflexionsvermögen der Öffnung 121, auf das hierin Bezug genommen wird, ist das Reflexionsvermögen einer Grenzfläche zwischen dem lichtdurchlässigen Element 10 und Luft in der Öffnung 121, das heißt, das Reflexionsvermögen der Oberfläche 10a. In einem Fall, in dem beispielsweise das lichtdurchlässige Element 10 durch eine optische Faser, die aus Siliziumdioxidglas bzw. Kieselglas hergestellt ist, implementiert ist, liegt das Reflexionsvermögen der Öffnung 121 in einem Bereich von 4 % bis 8 %.
Wenn beispielsweise die Probe S aus einem metallischen Material hergestellt ist, dessen Reflexionsvermögen 50 % oder mehr beträgt, ist der Koeffizient A größer als 0,40 und weniger als 0,85 eingestellt. Wenn die Probe S aus einem Harzmaterial hergestellt ist, dessen Reflexionsvermögen höher als 5% oder mehr und weniger als 50 % ist, ist der Koeffizient A größer als 0,04 und kleiner als 0,40 eingestellt. Der Koeffizient B ist größer als 0,42 und weniger als 0,93 eingestellt, wenn die Probe S aus einem metallischen Material hergestellt ist, dessen Reflexionsvermögen 50 % oder mehr ist. Der Koeffizient B ist größer als 0,06 und weniger als 0,42 eingestellt, wenn die Probe S aus einem Harzmaterial hergestellt ist, dessen Reflexionsvermögen höher als 5% oder mehr und weniger als 50 % ist.
Wenn es, genauer gesagt, erforderlich ist, dass das Reflexionsvermögen der Probe S 90 % beträgt, der Durchmesser L1 des lichtdurchlässigen Elements 10 20 µm ist, und der Durchmesser L2 der Öffnung 1215 µm ist, wird bestimmt, ob das Reflexionsvermögen R1 eines Materials für die Abdeckung 12 eine Beziehung 0,14 < Lc < 1 erfüllt. Wenn beispielsweise die Abdeckung 12 aus Kohlenstoff hergestellt ist, dessen Reflexionsvermögen 10 % beträgt, wird der Wert Lc durch Einsetzen von R_d = (20 - 5)/20 = 0,75; R1 = 0,1; A = 0,71 und B = 0,75 in die vorhergehende Gleichung (1) berechnet, um Lc abzuleiten. In diesem Fall werden die Koeffizienten A und B als Werte ausgewählt, wenn das Reflexionsvermögen der Probe S 90 % beträgt, und der Öffnungswinkel eines Laserstrahls, der von der Ausgabeeinheit 4 emittiert wird, 1,5° ist. Der abgeleitete Wert Lc wird 0,32 betragen, was einer Beziehung 0,14 < Lc < 1 genügt. Es wird daher herausgefunden, das Kohlenstoff als ein Material für die Abdeckung 12 unter den vorhergehenden Bedingungen verwendet werden kann. Wie aus der vorhergehenden Erörterung offensichtlich wird, ist es möglich, die Größe des Punktes des ausgestrahlten Lichts in einen gewünschten Bereich zu bringen und die zu messende Menge an Licht oberhalb eines erforderlichen Werts zu halten, indem das Reflexionsvermögen des Materials für die Abdeckung 12 und der Durchmesser der Öffnung 121 auf die vorhergehende Art ausgewählt werden, ohne die Messgenauigkeit zu opfern.
BEISPIEL EINER VERWENDUNG
Ein Beispiel einer Verwendung der optischen Messvorrichtung bei dieser Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 beschrieben werden.
4 stellt eine Region um ein Berührungselement 100 herum dar, das mit einem Schneidewerkzeug 101 einer bekannten Bearbeitungsvorrichtung, die später beschrieben werden wird, ausgerüstet ist. Für eine Erleichterung einer Sichtbarkeit, sind in 4 andere Teile der Bearbeitungsvorrichtung weggelassen und es ist ferner die Größe der Sonde 1 der optischen Messvorrichtung vergrößert.
Bei dem Beispiel von 4 wird die optische Messvorrichtung als ein Wegmesser mit einer optischen Interferometrie verwendet, und die Sonde 1 ist nahe dem Berührungselement 100 der Bearbeitungsvorrichtung angeordnet, die entworfen ist, um ein Präzisionsschneiden in der Größenordnung von beispielsweise Mikrometer oder Nanometer durchzuführen.
Die Bearbeitungsvorrichtung des vorhergehenden Typs wird beispielsweise in der japanischen Patent-Erstveröffentlichung Nr. 2017-177231 gelehrt. Die optische Messvorrichtung kann alternativ mit einem anderen Typ einer Bearbeitungsvorrichtung genutzt werden. Die Bearbeitungsvorrichtung in 4 ist mit einem Tisch, auf dem die Probe S (das heißt eine Arbeitsstück) fest fixiert ist, einer Klemmvorrichtung, die das Berührungselement 100, das mit dem Schneidewerkzeug 101 ausgerüstet ist, greift, und einer Steuerung ausgerüstet, die arbeitet, um eine Bewegung der Klemmvorrichtung zu steuern, die für eine Verkürzung der Darstellung nicht gezeigt sind.
Bei dem Beispiel, das in 4 dargestellt ist, hat die optische Messvorrichtung die Sonde 1, die an der Klemmvorrichtung der Bearbeitungsvorrichtung, die das Berührungselement 100 festhält, angebracht ist. Die Sonde 1 emittiert Licht auf die Oberfläche der Probe S, die durch das Schneidewerkzeug 101 geschnitten wird, und empfängt dann ein Rücklaufsignal des Lichts von der Probe S. Die optische Messvorrichtung ist, wie im Vorhergehenden beschrieben wurde, entworfen, um eine Schicht oder einen Film, die oder der als die Abdeckung 12, die mit der Öffnung 121 ausgerüstet ist, gebildet ist, bei der Sonde 1 zu haben, um die Größe eines Punkts eines emittierten Lichts zu verschmälern, und ermöglicht, dass die Größe der Sonde 1 reduziert wird. Eine solche Reduzierung der Größe ermöglicht, dass die Sonde 1, wie es deutlich in 4 dargestellt wird, eng zu der zu bearbeitenden Probe S angeordnet wird, mit anderen Worten, in der Nähe des Berührungselements 100.
Der Durchmesser des Punkts des ausgestrahlten Lichts wird daher reduziert, um in einen schmalen Bereich zu fallen. Die Anordnung der Sonde 1 nahe einem Abschnitt der Probe S, der einer Mikrofertigung zu unterwerfen ist, stellt eine präzise Messung eines Abstands zwischen dem Berührungselement 100 und der bearbeiteten Oberfläche der Probe S in der Dickenrichtung der Probe S sicher und ermöglicht, dass eine Änderung des gemessenen Abstands in einem Rückkopplungsmodus zu der Steuerung gesendet wird.
Das lichtdurchlässige Element 10 ist, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde, mit der Sonde 1 ausgerüstet, bei der eine Schicht als die Abdeckung 12, die als ein Lichtschirm dient, gebildet ist. Die Abdeckung 12 wird als Bezugsoberfläche verwendet und hat einen ausgewählten Reflexionsfaktor. In der Abdeckung 12 ist die Öffnung 121 gebildet, deren Durchmesser weniger als oder gleich 20 µm ist, und dieselbe hat ferner einen Reflexionsfaktor, der gewählt ist, um sicherzustellen, dass die gemessene Lichtmenge Lc in einem erforderlichen Bereich liegt, obwohl die Größe des ausgestrahlten Lichts verschmälert wurde, um in einen kleinen Bereich zu fallen, ohne die optische Messgenauigkeit zu opfern. Die Abdeckung 12 ist aus einer einzelnen Schicht hergestellt, die auf dem lichtdurchlässigen Element 10 angeordnet ist. Dies ermöglicht, die Größe der Sonde 1 zu reduzieren.
WEITERE MODIFIKATIONEN
Obwohl die vorliegende Erfindung betreffend die bevorzugte Ausführungsform offenbart wurde, um ein besseres Verständnis derselben zu erleichtern, ist es offensichtlich, dass die Erfindung auf verschiedene Arten ausgeführt sein kann, ohne von dem Prinzip der Erfindung abzuweichen. Der Erfindung sollte daher so verstanden werden, um alle möglichen Ausführungsformen und Modifikationen der gezeigten Ausführungsform zu umfassen, die, ohne von dem Prinzip der Erfindung, wie es in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen, ausgeführt werden können.
Das lichtdurchlässige Element 10 hat beispielsweise bei der vorhergehenden Ausführungsform die Oberfläche 10a, die durch die Abdeckung 12, die einen vorgegebenen Reflexionsfaktor hat, verschlossen ist, kann jedoch alternativ mit einer Sonde 1, die entworfen ist, um an einem Teil der Oberfläche 10a des lichtdurchlässigen Elements 10 Unregelmäßigkeiten zu haben, statt der Abdeckung 12 ausgerüstet sein. In diesem Fall ist aufgrund der Abwesenheit der Abdeckung 12 die Bezugsoberfläche durch eine Begrenzungsfläche zwischen der Oberfläche 10a des lichtdurchlässigen Elements 10 und Luft definiert.
Die Oberfläche 10a ist genauer gesagt geformt, um feine Unregelmäßigkeiten in einem Gebiet derselben zu haben, das einem Teil der Oberfläche 10a entspricht, der durch die Abdeckung 12 bei der vorhergehenden Ausführungsform eingenommen ist, und um ferner ein flaches Gebiet zu haben, das mit der Öffnung 121 der Abdeckung 12 bei der vorhergehenden Ausführungsform übereinstimmt. Die Unregelmäßigkeiten dienen dazu, um Licht, das durch die Ausgabeeinheit 4 emittiert wird, zu zerstreuen oder zu streuen, um die Menge des Bezugslichts zu verringern, und um ferner die Menge des Lichts, das außerhalb der Oberfläche 10a ausgegeben wird, zu verringern. Dies bewirkt, dass die Größe eines Punkts des ausgestrahlten Lichts verschmälert wird. Die Unregelmäßigkeiten funktionieren mit anderen Worten als ein Reflexionsanpasser, um den Durchmesser des Punkts des ausgestrahlten Lichts zu verringern, und um den Reflexionsfaktor der Bezugsoberfläche an einen gewünschten Wert anzupassen. Das flache Gebiet der Oberfläche 10a lässt das ausgestrahlte Licht fast ohne Reflexion daran durchlaufen und empfängt ferner das von der Probe reflektierte Licht. Die Oberfläche 10a des lichtdurchlässigen Elements 10 ist, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde, entworfen, um zwei Gebiete zu haben: ein erstes Gebiet mit Unregelmäßigkeiten und ein zweites geglättetes Gebiet ohne jegliche Unregelmäßigkeiten, wodurch ohne eine Verwendung der Abdeckung 12 die Größe des Punkts des ausgestrahlten Lichts verschmälert wird und eine erforderliche Menge des von der Probe reflektierten Lichts sichergestellt wird. Die Unregelmäßigkeiten können unter Verwendung eines FIB (= Focussed Ion Beam = fokussierten Ionenstrahls) hergestellt werden.
Das lichtdurchlässige Element 10 bei der vorhergehenden Ausführungsform ist geformt, um zylindrisch zu sein, kann jedoch alternativ eine andere Form haben. Das Gleiche gilt für den Lichtschirm 11, der das lichtdurchlässige Element 10, die Abdeckung 12 oder die Öffnung 121 umgibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2017177231 [0048]

Claims

Optische Messvorrichtung, die konfiguriert ist, um Licht auf eine Oberfläche einer Probe (S) auszustrahlen und ein Rücklaufsignal (RL2) des ausgestrahlten Lichts von der Oberfläche der Probe (S) zu empfangen, mit: einem lichtdurchlässigen Element (10), das einen Pfad definiert, den das ausgestrahlte Licht und das Rücklaufsignal (RL2) des ausgestrahlten Lichts durchlaufen; und einer Abdeckung (12), die aus einer einzelnen Schicht hergestellt ist und einen Teil (10a) einer Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements (10) bedeckt, wobei die Abdeckung (12) einen vorgegebenen Reflexionsfaktor hat und in derselben ferner eine Öffnung (121) gebildet ist, durch die das ausgestrahlte Licht und das Rücklaufsignal (RL2) des ausgestrahlten Lichts laufen, die Abdeckung (12) eine Berührungsoberfläche (12a) hat, die in einer Berührung mit der Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements (10) platziert ist und als eine Bezugsoberfläche dient, und eine gemessene Lichtmenge, wie sie durch ein Verhältnis einer Menge eines von der Probe reflektierten Lichts zu einer Gesamtlichtmenge vorgegeben ist, größer als 0,14 und weniger als 1 ist, wobei das von der Probe reflektierte Licht das Rücklaufsignal (RL2) des ausgestrahlten Lichts von der Oberfläche der Probe (S) ist, und die Gesamtlichtmenge eine Summe einer Menge des von der Probe reflektierten Lichts und einer Menge eines Bezugslichts ist, das ein Teil des ausgestrahlten Lichts ist, das durch die Berührungsoberfläche (12a) der Abdeckung (12) reflektiert wird.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Durchmesser (L2) der Öffnung (121) weniger als oder gleich 20 µm ist.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die gemessene Lichtmenge ausgedrückt wird durch $L_{c} = \frac{{(1 - R_{d})}^{2} \times A}{{(1 - R_{d})}^{2} \times B + (2 - R_{d}) \times R_{d} \times R_{1}}$
wobei Lc die gemessene Lichtmenge ist, R1 ein Reflexionsvermögen der Abdeckung (12) ist, R_d durch (L1 - L2)/L1 vorgegeben ist, wobei L1 ein Durchmesser des lichtdurchlässigen Elements (10) ist, und L2 ein Durchmesser der Öffnung (121) ist, A ein Koeffizient ist, der größer als 0,04 und kleiner als 0,85 ist, und B ein Koeffizient ist, der größer als 0,06 und kleiner als 0,93 ist.