DE2200222A1 - DEVICE FOR DETERMINING THE SURFACE QUALITY - Google Patents
DEVICE FOR DETERMINING THE SURFACE QUALITYInfo
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Description
Böblingen, den 30» Dezember 1971 pr-bue/fr ,Böblingen, December 30th, 1971 pr-bue / fr,
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderins Docket GE 971 OllOfficial file number: New registration file number of the applicant Docket GE 971 Oll
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächengüte mittels Lichtpunktabtastung von beispielsitfeise durch spanabhebende Bearbeitung periodisch strukturierten Flächen.The invention relates to a device for determining the surface quality by means of light point scanning from for example Machining of periodically structured surfaces.
Bei der Herstellung von ebenen Flächen, beispielsweise bei der Herstellung von ebenen Flächen auf Drehbänken, tritt zwangsweise eine gewisse Stufenbildung auf. Sehr genau arbeitende Maschinen> wie sie beispielsweise bei der Herstellung der Rohlinge von Magnetspeicherplatten Verwendung finden, ermöglichen es. Werkstücke zu bearbeiten, bei denen die durch diese Stufenbildung bedingte Rauhtiefe unter 0,05 pm liegt. Die Prüfung der Güte derartiger Flächen kann entweder durch mechanische Abtastverfahren, bei·=In the production of flat surfaces , for example in the production of flat surfaces on lathes, a certain step formation inevitably occurs. Machines that work very precisely, such as those used, for example, in the production of blanks for magnetic storage disks, make this possible. To process workpieces in which the surface roughness caused by this step formation is below 0.05 pm. The quality of such surfaces can be checked either by mechanical scanning methods, at · =
spielsweise Taly-Surf-Verfahren, oder durch interferometrisshe Ver= fahren erfolgen« Die erstgenannten Verfahren scheiden wegen des sehr großen Zeitaufwandes zum Erfassen größerer Flächen und wegen der Schwierigkeit, zerstörungsfrei zumessen, aus. Die interferometrischen Methoden, wobei insbesondere die Interferenz-Mikroskopie als geeignet erscheint, erfordern bei der Untersuchung größe- . rer Flächen einen derart großen meßtechnischen und seitlichen Auf-for example Taly-Surf method, or by interferometric Ver = drive carried out «The first-mentioned methods differ because of the very large amount of time required to capture larger areas and because of the difficulty of measuring non-destructively. The interferometric Methods, in particular interference microscopy Seems appropriate, require size- during the examination. rer surfaces such a large metrological and lateral elevation
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wand, daß sie für die meisten praktischen Anwendungen ausscheiden .found that they are ruled out for most practical applications.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Vorrichtung zur Untersuchung von periodisch strukturierten Flächen anzugeben, mit der es möglich, ist, eine Reihe von möglichen Fehlern in einfacher Weise und mit geringem Zeitaufwand zu ermitteln. Die wichtigsten zu ermittelnden Störungen sind: horizontale Versetzungen von Stufenkanten, vertikale Verschiebungen einzelner Stufen, Veränderung der Stufenform, z. B. durch unter dem Drehwerkzeug verkeilte Späne, (Fehler der Gitterstruktur), Verschmutzungen, beispielsweise durch öl oder Staub, Unregelmäßigkeiten im Material, beispielsweise Lunker und Kratzspuren, (sonstige Fehler).The invention is based on the task of specifying a device for examining periodically structured surfaces, with which it is possible to make a number of possible errors in a simpler way Way and with little expenditure of time. The most important faults to be determined are: horizontal dislocations of step edges, vertical shifts of individual steps, changes the step shape, e.g. B. by chips wedged under the turning tool, (defects in the lattice structure), soiling, for example due to oil or dust, irregularities in the material, for example voids and scratch marks (other defects).
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächengüte mittels Lichtpunktabtastung von beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung periodisch strukturierten Flächen gelöst, die gekennzeichnet ist durch ein den Abtaststrahl steuerbar verschiebendes oder um einen Drehpunkt schwenkendes Element, eine eine oder mehrere Ordnungen des an der zu untersuchenden Flächen gebeugten Abtaststrahls getrennt erfassende lichtempfindliche Anordnung und durch ein optisches System, das den verschobenen Abtaststrahl oder den Drehpunkt des geschwenkten Abtaststrahls nach dessen Beugung an einem fehlerfreien Bereich der zu untersuchenden Fläche, unabhängig von der jeweiligen Lage des Abtastlichtpunktes stets auf denselben Bereich der lichtempfindlichen Anordnung abbildet.According to the invention, this object is achieved by a device for determining the surface quality by means of light point scanning for example, solved by machining periodically structured surfaces, which is characterized by a the Scanning beam controllably displacing or pivoting about a pivot point element, one or more orders of the surfaces to be examined diffracted scanning beam separately recorded light-sensitive arrangement and by an optical system, that is, the shifted scanning beam or the pivot point of the pivoted scanning beam after its diffraction at an error-free area of the area to be examined, regardless of the respective position of the scanning light point, always on the same area of the light-sensitive area Arrangement maps.
Besonders vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind dadurch gekennzeichnet, daß die den Äbtaststrahl verschiebenden oder schwenkende Elemente bewegliche Spiegel oder elektrooptische Anordnungen sind, die den Abtaststrahl entweder in einer oder in zwei Richtungen periodisch ablenken.Especially advantageous further developments of the inventive concept are characterized in that the Äbtaststrahl shifting or pivoting movable mirror elements or electro-optical devices are operable periodically to deflect the scanning beam in either one or in two directions.
Eine andere besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung durch die Another particularly advantageous development of the inventive concept is characterized in that the scanning by the
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Kombination einer periodischen Bewegung des Abtastlichtpunktes {und einer beispielsweise durch konstante Rotation erfolgende Verschiebung der zu untersuchenden Flächen erfolgt. Weitere Merkmale^ der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im j. Zusammenhang mit den Figuren. . jCombination of a periodic movement of the scanning light point {and one that takes place, for example, through constant rotation The surfaces to be examined are shifted. Further Features ^ of the invention emerge from the subclaims in j. Connection with the figures. . j
Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: -The invention will then be explained in more detail with reference to the figures. Show it: -
:Fig. 1 ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel .: Fig. 1 a particularly advantageous embodiment.
der Erfindung?the invention?
Fign. 2 u. 3 . schematische Darstellungen der Oberflächenstrukturen von zwei Platten unterschiedlicher Oberflächengüte? Figs. 2 and 3. schematic representations of the surface structures from two panels of different surface quality?
Fig* 4 die Intensitätsverläufe der 1/2, BeugungsOrdnungFig. 4 shows the intensity curves of the 1/2 diffraction order
und des Streulichtes bei der Abtastung der in den Fign. 3 und 4 dargestellten 'Flächen?and the scattered light when scanning the in FIGS. 3 and 4 shown 'surfaces?
,Fig. 5 ; den Verlauf der I/2-Kurve bei Fehlen einer Git-, Fig. 5; the course of the I / 2 curve in the absence of a Git
terstufe.level.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung besteht aus einem Laser 1» : der.einen Strahl 2 über einen festen Spiegel 3 auf einen um eine Achse 4 schwenkbaren Spiegel 5 errichtet, der durch nichtgezeigte Mittel so bewegt wird, daß der an ihn reflektierte Strahl in einer durch die Linien 2a, 2b und 2c definierten Ebene zwischen den durch die Linien 2a und 2c begrenzten Bereich periodisch geschwenkt wird, im Verlaufe der in der genannten Ebene liegenden Strahlenwege ist eine Zylinderlinse 7 angeordnet t die die vom Spiegel 5 ausgehenden Strahlen in jeder Lage nahezu senkrecht auf eine 2u prüfende Platte 8 fallen läßt. Die Platte 8, die beispielsweise der Rohling einer Magnetspeicherplatte ist, weist beispielsweise die in Fig* 2 dargestellte Oberflächenstruktur aiii"* DiU Ah- ' Ordnung ist so getroffen, daß die an jedem beliebigen ι auf einer.The arrangement shown in Fig. 1 consists of a laser 1 » : the.eine beam 2 erected via a fixed mirror 3 on a mirror 5 pivotable about an axis 4, which is moved by means not shown in such a way that the beam reflected on it in a plane defined by the lines 2a, 2b and 2c between the area delimited by the lines 2a and 2c is periodically pivoted, in the course of the beam paths lying in said plane a cylindrical lens 7 is arranged t which the rays emanating from the mirror 5 in every position drops almost vertically onto a 2u testing plate 8. The plate 8 is, for example, the blank of a magnetic storage disk, for example, the surface structure aiii "shown in FIG * 2 * DIU Ah 'order is such that the desired at each ι on a.
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Linie 15, 16 auf der als Gitter wirkenden Fläche der Platte 8 ■liegenden Punkt reflektierte Strahlung auf lichtempfindlichen ,Elementen 10, 11 und 12 einer lichtempfindlichen Anordnung 9 als ■Beugung O. +1. und -1. Ordnung abgebildet wird, sofern die abgetastete Fläche 8 die gewünschten Eigenschaften aufweist. Bei Auf- ;treten von Abweichungen von der vorgeschriebenen Gitterstruktur treten zusätzlich Beugungsordnungen der "1/2." Ordnung auf, die durch das lichtempfindliche Element 13 festgestellt werden.Line 15, 16 on the surface of the plate 8 that acts as a grid ■ lying point reflected radiation on light-sensitive , Elements 10, 11 and 12 of a light-sensitive arrangement 9 as ■ diffraction O. +1. and -1. Order is mapped provided the scanned Surface 8 has the desired properties. If deviations from the prescribed grid structure occur additional diffraction orders of the "1/2." Order, which are detected by the photosensitive element 13.
Beim Auftreten von anderen Störungen gelangt Streulicht zum lichtempfindlichen Element 14 der genannten Anordnung. When other disturbances occur, scattered light reaches the photosensitive element 14 of the arrangement mentioned.
Die Fehler auf der zu untersuchenden Fläche 8 werden somit durch Auswertung des Beugungsbildes der periodischen Struktur der zu untersuchenden Fläche und/oder durch das an dieser Fläche auftretende Streulicht ermittelt, das man beim Abtasten der Oberfläche mit dem Laserstrahl 2 erhält. Die beispielsweise durch Drehen periodisch strukturierte Oberfläche 8 wirkt durch ihre Stufenstruktur wie ein Beugungsgitter, genauer cfesägt wie ein Echelette-Gitter, wenn man eine ebene Schnittfläche vorausetzt. Die Lichtintensität der Beugungsordiiungen hängt hierbei/ wie aus der elementaren Beugungstheorie bekannt, von der Gestalt der einzelnen Stufent insbesondere von ihrem Neigungswinkel β ab» Zu dem mathematischen Ausdruck für den jeweiligen Gitterreflex kommt ein durch das Beugungsbild der einzelnen Gitterstufen bedingter Gewichtungsfaktor The defects on the surface 8 to be examined are thus determined by evaluating the diffraction image of the periodic structure of the surface to be examined and / or by the scattered light occurring on this surface, which is obtained when the surface is scanned with the laser beam 2. The surface 8, which is periodically structured, for example, by turning, acts like a diffraction grating due to its step structure, more precisely cfesää like an echelette grating, if one assumes a flat cut surface. As is known from elementary diffraction theory, the light intensity of the diffraction orders depends on the shape of the individual steps t, in particular on their angle of inclination β
hinzu, wobei χ eine parallel zur Linie 15-16 in der Auswertungsebene verlaufende Koordinate ist.where χ is parallel to line 15-16 in the evaluation level running coordinate is.
Je nach Größe des Neigungswinkeis sind die Beugungsordnungen des Gitters gegen das Beugungsbild der Einzelstufe ersetzt* Dadurch erscheinen zueinander symmetrische Ordnungen mit unterschiedlicherDepending on the size of the angle of inclination, the diffraction orders are Lattice replaced with the diffraction pattern of the single stage
Docket GE 911 011Docket GE 911 011
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Intensität. Insbesondere ist dann das Verhältnis von der +1. zur -1. Beugungsordnung des Gesamtgitters gegeben durchIntensity. In particular, the ratio is then +1. to -1. Diffraction order of the overall grating given by
(1) J+1 / J-1= (2ß +π)2 / (2ß -ir)2 (1) J +1 / J -1 = (2β + π) 2 / (2β -ir) 2
und somit ein Maß für den Winkel β = Zusammen mit der durch den Abstand der einzelnen Ordnungen bestimmbaren Gitterkonstante läßt sich somit die Rauhtiefe eines idealien Gitters bestimmen.and thus a measure of the angle β = together with that through the The lattice constant that can be determined from the distance between the individual orders can thus determine the roughness of an ideal lattice.
Störungen der Periodizität dieses Gitters machen sich nun durch Abweichungen vom idealen Beugungsbild bemerkbar. Von besonderem Interesse ist hier der Ort in der Mitte zwischen der O. Gitterordnung und 1. Gitterordnung ("1/2. Ordnung"). Hier sind die Beiträge benachbarter Stufen beim ungestörten Gitter gerade gleich groß, jedoch um 180 phasenverschoben und heben sich daher gegenseitig auf. Dies ist jedoch nicht mehr der Fall^ sobald Störungen auftreten. ■Disturbances in the periodicity of this lattice now make themselves felt Deviations from the ideal diffraction pattern noticeable. The place in the middle between the O. grid order is of particular interest here and 1st grid order ("1/2 order"). Here the contributions of neighboring levels are even in the case of the undisturbed grid same size, but 180 out of phase and therefore cancel each other out. However, this is no longer the case ^ as soon as Malfunctions occur. ■
Die oben angeführten auf Gitterfehler beruhenden Störungen hängen von der Intensität der 1/2„ Gitterordnung, von der Neigung der einzelnen Stufen„ ihrem Reflexionsvermögen, ihrer Breite, der Intensitätsverteilung des Äbtaststrahles sowie der Abweichung von der mittleren Stufenhöhe ab. Im einzelnen giltsThe above error based on lattice faults depend on the intensity of the 1/2 "grating order, the inclination of the individual stages" their reflectivity, their width, the intensity distribution of Äbtaststrahles and the deviation from the mean step height from. The following applies in detail
2ßn2ßn
cos (2 π A/bcos (2 π A / b
/O» T _i r. / t«n - η/ O » T _i r. / t «n - η
U) I1/, -I λ l-iJ AQ π 2ßn U) I 1 /, -I λ l-iJ A Q π 2ß n
,ng .2 2iri Ahn /R~ ο bn . e ~"la/2~' . e λ, ng .2 2iri Ahn / R ~ ο b n . e ~ " l a / 2 ~ '. e λ
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Hierbei werden als Abkürzungen gesetzt:The following are used as abbreviations:
λ Wellenlängeλ wavelength
Il/2 Intensität der 1/2. Ordnung I l / 2 intensity of the 1/2. order
A Amplitude des Beleuchtungsstrahles Gitterkonstante
Durchmesser des
Abweichung der η-ten Stufe von der mittleren StufenhöheA amplitude of the illuminating beam lattice constant
Diameter of
Deviation of the η-th step from the mean step height
2 Durchmesser des Beleuchtungsstrahles (l/e*e )2 diameter of the illumination beam (l / e * e)
β Neigungswinkel der η-ten Stufeβ angle of inclination of the η-th stage
bn Breiteb n width
R Reflexionsvermögen der η-ten StufeR reflectivity of the η-th level
Die oben aufgeführten sonstigen Störungen können hier im wesentlichen als Veränderungen des Reflexionsvermögens aufgefaßt werden und heben sich teilweise gegenseitig auf. Sie können jedoch durch Messung des Streulichtes mit Hilfe des lichtempfindlichen Elements 14 außerhalb des GitterSpektrums sicher erkannt werden.The other malfunctions listed above can essentially be found here are perceived as changes in reflectivity and partially cancel each other out. However, you can can be reliably detected by measuring the scattered light with the aid of the light-sensitive element 14 outside the grating spectrum.
Tastet man die auszumessende Fläche nun durch Bewegung des Ablenkspiegels 5 senkrecht zur Gitterrichtung ab, so wird man für jede Gitterstörung einen Beitrag zur Intensität in Form einer "Gauß-Verteilung" erhalten, die durch den Beleuchtungsstrahl vorgegeben ist. Diese Beiträge sind, wie leicht einzusehen, bei einer Störung des ReflexionsVermögens der Störung proportional, desgleichen näherungsweise bei einer kleinen Abweichung der Stufenbreite. Die Intensität ist darüber hinaus auch abhängig vom Sinus auftretender Stufenhöhenänderungen in Bezug auf das ungestörte Gitter, Alle diese Gauß-Kurven überlagern sich jedoch bei mehreren Störungen mit unterschiedlicher Orts- und Phasenlage. Bei statistischen Störungen wird die resultierende Intensität beim Abtasten kleine Schwankungen um den der mittleren Wahrscheinlichkeit entsprechenden Wert ausführen» Vereinzelte größere Störungen werden gemäß ihrer Ursache, ihres Betrages und ihrer Phasenlage eine Abweichung von diesem Mittelwert zur Folge haben.If you feel the area to be measured by moving the deflection mirror 5 perpendicular to the lattice direction, one will make a contribution to the intensity in the form of a for each lattice disturbance "Gaussian distribution" is obtained, which is given by the illuminating beam. These contributions are, as is easy to see, at a disturbance of the reflection capacity proportional to the disturbance, the same is approximately the case with a small deviation in the step width. The intensity is also dependent from the sine occurring step height changes in relation to the undisturbed grid, all these Gaussian curves are superimposed however, in the case of several faults with different positions and phases. In the case of statistical disturbances, the resulting Intensity when scanning carry out small fluctuations around the value corresponding to the mean probability »Isolated Larger disturbances will result in a deviation from this mean value according to their cause, their magnitude and their phase position to have.
Docket GE 971 OllDocket GE 971 Oll
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurden zwei plangedrehte Flächen unterschiedlicher Güte, d.h. Regelmäßigkeit der Gitterstruktur, untersucht. Die.Fign. 2 und 3 sind schematische Darstellungen interferenzmikroskopischer Aufnahmen bei 5Orfacher Vergrößerung dieser Flächen/ wobei die Höhen und Seitenversetzungen der Stufen deutlich zu erkennen sind. In Fig, 4 wird die Intensität der 1/2. Gitterordnung I1Z2 und des Streulichtes IWith the device according to the invention, two faced surfaces of different quality, ie regularity of the lattice structure, were examined. The.Fign. 2 and 3 are schematic representations of interference microscopic images with a 5-fold enlargement of these surfaces / the heights and lateral displacements of the steps can be clearly seen. In Fig. 4, the intensity of 1/2. Grid order I 1 Z 2 and the scattered light I
als Funktion des Ortes bei radialer Abtastung dargestellt t wobei die im linken Teil der Figur dargestellte Kurve der besseren, In Flg., .2 wiedergegebenen Oberfläche und die im rechten Teil der Figur dargestellte Kurve der schlechteren, in Fig. 3 dargestellten Fläche entspricht. Der Unterschied zwischen den bei der Abtastung der beiden Flächen nach der Erfindung aufgezeichneten Kurven, von denen die eine viel unregelmäßiger ist als die andere, ist so groß, daß ein quantitativer Vergleich nicht sinnvoll erscheint. Es ist aber nicht Aufgabe, der Erfindung, derartige Vergleiche durchzuführen, sondern es sollen kleine Abweichungen von der idealen Gitterform festgestellt werden.shown as a function of the location in radial scanning t where the curve shown in the left part of the figure corresponds to the better surface shown in Fig. 2 and the curve shown in the right part of the figure corresponds to the poorer area shown in Fig. 3. The difference between the curves recorded during the scanning of the two surfaces according to the invention, one of which is much more irregular than the other, is so great that a quantitative comparison does not appear sensible. However, it is not the task of the invention to carry out such comparisons, but rather small deviations from the ideal grid shape should be determined.
Die Oberfläche mit den starken Störungen der Periodizität {Fig. 4, rechts) soll nur die Empfindlichkeit des Verfahrens veranschaulichen. Störungen durch Kratzer haben relativ kleine Auswirkungen auf den Verlauf der Kurven. Nach (2) hebt sich hier ein großer Teil der Störung weg. Wesentlich starker wird durch derartige Störungen das Streulicht I beeinflußt, das mit Hilfe des licht-The surface with the strong disturbances of the periodicity {Fig. 4, right) is only intended to illustrate the sensitivity of the method. Scratch disruptions have relatively minor effects on the course of the curves. According to (2), a large part of the disturbance cancels here. It becomes much stronger through such Interference affects the scattered light I, which with the help of the light
empfindlichen Elements 14 ausgewertet wird.sensitive element 14 is evaluated.
Die Einwirkung einer größeren Störung auf die 1/2. Ordnung wird in Fig. 5 dargestellt, in der eine Kurve beim praktischen Fehlen einer Gitterstufe wiedergegeben wird. Beim Abtasten in radialer Richtung hebt sich die Störung weit über den Untergrund der summierten statistischen Fehler hinaus.The impact of a major disorder on the 1/2. Order will shown in Fig. 5, in which a curve in the practical absence a grid step is reproduced. When scanning in the radial direction, the disturbance rises above the subsurface of the added up statistical errors.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt somit folgende Größen zn bestimmen. The device according to the invention thus allows the following variables to be determined.
Docket GE 971 OllDocket GE 971 Oll
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— αϊ. Die Rauhtiefe eines angenähert idealen Gitters,- αϊ. The surface roughness of an approximately ideal grid,
2. die mittlere Abweichung von dieser Rauhtiefe,2. the mean deviation from this surface roughness,
3. die Größe einzelner Störungen des Gitters,3. the size of individual faults in the grid,
4. die Anwesenheit von diffus streuenden Störungen.4. the presence of diffuse scattering disturbances.
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