HU195882B - Arrangement for interference examination of the flatness of technical surfaces - Google Patents

Description

A találmány tárgya elrendezés főleg sima, reflektáló műszaki felületek, például félvezetőlapok automatikus sík vizsgálatára.

Sima felületek interferometrikus mérésére napjainkban egy sor eljárás és elrendezés ismert. így például ismert a rács-interferométer, amelynek segítségével az effektív hullámhossz a vizsgálat során tekintélyes mértékben megnövelhető. A vonaltávolság itt a rácsállandó felének felel meg (Birch, K. G., Journal of Physics E, Scientiflc Instruments 6, (1973), 1045. old.). A megoldás hátránya, hogy alkalmazása a vizsgált felület projektív roncsolódásával jár.

Egy másik ismert rács-interferométérnél, amelyet főleg szilíciumlapok sík vizsgálatánál alkalmaznak, két szomszédos diffrakciórendszerből származó fénysugár interferenciáját használják fel, ahol a két fénysugár eltérő beesési szögben érkezik a vizsgálandó felületre (Jörisch, W., Feinwerktechnik und Mefitechnik 83 (1975), 199. old., illetve a DE 2 636 211 számú NSZK-beli közrebocsátási irat).

Mivel az útkülönbség annak a szögnek a függvénye, amely alatt a fény az interferométeren áthalad, a szuperpozíciónál a fázisok különbségképződése révén a topográfíkus érzékenység jelentős variációs lehetőségei adódnak. Zavaróan hatnak azonban a más diffrakciórendszerek hatására létrejövő többszörös szuperpozíciók, és ugyancsak hátrányos az előző megoldáshoz hasonlóan jelentkező roncsolóhatás.

Ismert megoldás a főleg acélfelületek síkvizsgálatára használt, úgynevezett „interferoszkóp” is, amelynél a hullámhosszeltolódás ugyancsak sávos incidenciával jön létre (Abramson, N., Optik 20 (1969), 56. old.).

Ebben az elrendezésben derékszögű prizmát alkalmaznak, amelynek átfogólapja Fizeau-interferométer referenciafelületéül szolgál. A fény mintegy 45° alatt esik be a prizma átfogólapjára, és közelítőleg sávosan lép ki belőle. A vizsgált felületről való visszaverődés után a fény ismét a prizmába érkezik, és az átfogólappal 45°-ot bezárva, a prizma befogójára merőlegesen távozik. A törés következtében a nyalábkeresztmetszet anamorfotikusan deformálódik, a visszalépésnél pedig ismét ranszformálódik. A projekcióhiba értéke itt csupán-^/2. Ez a korábban említett megoldásokhoz képest lényeges előnyt jelent, hiszen ezáltal lehetővé válik, illetőleg leegyszerűsödik a fotoelektromos érzékelés. Hátrány azonban, hogy a keletkező interferogram többsugaras interferogram, amelynél a prizma és a vizsgált felület közötti rés vastagságától függő nemszimmetrikus interferenciasávok adódhatnak. Továbbá, az effektív hullámhossz a beesési szög, valamint a prizma és a levegő törésmutatójának függvénye. Jóllehet, az effektív hullámhossz széles határokon belül választható, mégis felmerül a probléma, hogy az interferenciaképek ismert eljárások által történő automatikus érzékelésénél a referenciatükör eltolását széles határokon belül illeszteni kell, mivel a referenciafázis teljes periódussal (2π) történő áthangolása szükséges. Az interferenciaképek automatikus érzékelésére szolgáló hivatkozott eljárások ismertek például a következő munkákból: Bruning et. al. Appl. Opt. 13 (1974) 2693; Gallagher, J. E. und Herrlott, D. R., illetve a DD 96779 sz. NDK-beli szabadalmi leírás.

A találmánnyal célunk elrendezés kialakítása reflektáló műszaki felületek interferometrikus síkvizsgálatára, amellyel vizsgált munkadarabok folyamatos, automatikus szelektálása megoldható, előírt síkvizsgálati követelményeket ki nem elégítő munkadarabok kiválasztása révén.

A megoldandó feladat műszaki síkfelületek síkhibáinak közvetlen mérésére alkalmas, számítógéppel összekapcsolható interferométer megvalósítása volt, amelynek segítségével a vizsgált felületre vonatkozó kétsugaras interferogram komplex transzformáció nélkül állítható elő, továbbá a hatásos effektív hullámhossz a referenciafázis szabályozótagjának változtatása nélkül széles tartományban szabályozható.

A kitűzött feladatot azáltal oldottuk meg, hogy műszaki felületek interferometrikus síkvizsgálatára alkalmas elrendezésben, amely derékszögű prizmából és próbafelületből kialakított Fizeau-interferométerből, valamint lézer fényforrásból épül fel, a találmány szerint a lézer sugármenetében λ/2-lemezt, majd objektívekből és diafragmából kialakított felbontórendszert rendeztünk el, amely mögött fordítótükröt helyeztünk el, amelyhez a prizmából, valamint a vizsgált próbafelületből kialakított Fizeau-interferométert illesztettük, majd a Fizeau-interferométerből kilépő sugármenetben még egy fordítótükröt helyeztünk el, amelyről visszaverődő sugármenetben Moiré-interferométert rendeztünk el, amely négy objektívbői, továbbá az első két objektív között elhelyezett térfrekvenciaszűrőből, a második és harmadik objektív között elrendezett diffrakciós elemből, valamint a harmadik és negyedik objektív között elhelyezett második térfrekvenciaszűrőből van felépítve. A Moiré-interferométer mögött felületvevőt helyeztünk el, amelyhez analóg/digitális-átalakító csatlakozik, amely a fotoelektromos jelet átalakítja és számítógépbe továbbítja.

Az érzékenység szabályozása céljából a fordítótükröket előnyösen a tükörfelület irányában a tükörpár belső tükörélén futó tengely körül ellentétes irányban forgathatóan rendeztük el.

A Moiré-interferométer diffrakciós elemét célszerűen rácsként vagy hologramként valósítjuk meg.

A fererenciafázis-eltolás céljából a diffrakciós elemet az elem síkjában, a rács-, illetve interfereuciavonalakra merőleges irányban eltolhatóan rendeztük el. A diffrakciós elem mozgatása célszerűen számítógéppel összekapcsolt motor segítségével történik.

A diffrakciós elem térfrekvenciájához való illesztés céljából a vizsgált próbafelületet a derékszögű prizma átfogólapjával meghatározott szöget bezáróan rendeztük el.

A találmány szerinti elrendezés a következőképpen működik:

A lézer által kibocsátott sugárnyaláb először áthalad a λ/2-lemezen, amely a polarizációirányt az interferométerhez illeszti. A sugárnyaláb ezután a felbontórendszeren áthaladva az első fordítótükörre esik,

195 882 majd onnan visszaverődve áthatol a prizma közelebb eső befogólapján, és megvilágítja a prizmából és próbafelületből kialakított Fizeau-interferométert. A prizma átfogólapján, valamint a próbafelületen reflektálódott fény a prizma másik befogólapján keresztül kilép a prizmából, és a második fordítótükörre esik. Az innen visszaverődő sugárnyaláb áthalad a Moiré-interferométer első objektivén, amelynek fókuszában az első térfrekvenciaszűrőt elhelyeztük. A Fizeau-interferométer megfelelő beállítása, azaz a próbafelület referenciafelülethez viszonyított relatív hajlásszögének beállítása esetén a térfrekvenciaszűro az első két Fizeau-interferométeren keletkező reflexet átereszti. Ezután a sugárnyalábot a második objektív újra párhuzamosítja. A párhuzamosított sugárnyaláb a diffrakciós elemre, például rácsra esik, amelynek rácsállandója közelítőleg megegyezik az interferenciakép közepes vonaltávolságával, amely a hullámterek szuperpozíciója által keletkezik a prizma átfogólapján és a próbafelületen.

A Moiré-interferométer második térfrekvenciaszűrője, amely a diffrakciós elem utáni objektív gyújtósíkjában van elhelyezve, csak azt az irányt ereszti át, amelybe a referenciafelület elhajlított tengelye és a próbafelület nem diffraktált tengelye esik. A második térfrekvenciaszűrőt követő objektív a diffrakciós elem interferenciafelületét a felületvevőre képezi le. Ezáltal a próbafelület-prizmaátfogólap kombináció Moiré-interferencíaképe jön létre, amely kis sűrűségű kétsugaras interferenciakép, amennyiben a diffrakciós elem helyi frekvenciája az interferenciaképével megegyezik.

A fotoelektromos jel analóg/digitális-átalakítón keresztül a számítógépbe kerül.

A vizsgált felület síkeltéréseinek automatikus meghatározására több, különböző referenciafázis-fekvésű interferenciaképet kell előállítani. Különösen előnyös az alábbi négy referenciafázis alkalmazása:

0; ff/2; π; 371/2.

Ebben az esetben a keresett fázis (φ) a négy intenzitáseloszlásból (Ii, I2,13,14) a következőképpen határozható meg:

φ (mód 2) = arc tg

Il-1₃

A kívánt referenciafázis-fekvés előnyösen a diffrakciós elemnek az interferenciasíkba történő rács-, illetve interferenciavonalakra merőleges transzlációjának alkalmazásával valósítható meg.

A fázisváltozás értéke a diffrakciós elemnek egy rácsvonal-, illetve interferenciavonal-távolsággal történő eltolásánál még akkor is 2π marad, ha az interferenciaképben az érzékenység a megvilágítási és megfigyelési szög változtatása révén megváltozik.

Az eltolás léptetőmotor segítségével tetszőleges pontossággal végrehajtható, mivel egy koutrasztos Moiré-interferenciakép eléréséhez például 5 vonal/mm értékkel jellemzett diffrakciós elem megfelel.

Az érzékenység változtatására a prizmából és próbafclületből álló Fizeau-interoferométer előtt és után elrendezett fordítótükrök szolgálnak. Mindkét fordítótükröt ellentétes irányban, azonos szögben elfordítva a Moiré-interfeiométerre eső közepes fényirány változatlan marad, és optikai elemek további mozgatása nem szükséges.

A kontraszt optimális beállítása a λ/2-lemez felületi normálisa körüli elforgatásával történhet. A magasabb reflexek elnyomásával a Fizeau-interferométerben a növekvő effektív hullámhossz következtében felmerülő problémák kiküszöbölhetők, mivel a fény vonalas beesése esetén a reflexek száma olyan mértékben megsokszorozódik, amely már a totális reflexió határához közelit.

Különösen előnyös hologram alkalmazása diffrakciós elemként. Amennyiben a hologram találmány szerinti elrendezés segítségével történő előállításánál a próbafelület helyett igen jó minőségű összehasonlítási felületet iktatunk be, a hologram előhívása és repozícionálása után az interferométer a referenciafelületként szolgáló prizma-átfogólap valamennyi esetleges hibájára vonatkozóan kompenzál. A méréseredmények ezután mindig a hologram előállításnál alkalmazott jó minőségű összehasonlítási felületre vonatkoznak.

A találmányt részletesebben a rajz alapján ismer25 tétjük. A rajzon szilíciumtárcsák felületi egyenetlenségeinek közvetlen interferometriai mérésére szolgáló találmány szerinti elrendezés példakénti kiviteli alakját tüntettük fel.

Amint a rajzon látható, az elrendezés fényforrása

L lézer, amelynek tárgyoldali sugármenetében PL λ/2-lemez, majd ezt követően A felbontórendszer van elrendezve, amely rendre Oj objektívbői, B diagragmából és 0% objektívbői épül fel. Az A felbontórendszer mögött van elhelyezve 5, fordítótükör. Az S_r fordítótükör után Fizeau-interferométer következik, amely derékszögű P prizmából és PR próbafelületből áll. A Fizeau-interferométerből kilépő sugármenetben S2 fordítótükör van elhelyezve. A két fordítótükör a tükörpár belső élén futó tengely körül ellentétes irányban forgathatóan van elrendezve. Az S2 fordítótükör után Moiré-interferométer következik, amely O3 és O4 objektívekből, közöttük elrendezett F; térfrekvenciaszűrőből, rácsként megvalósított BE diffrakciós elemből, továbbá Og és Og objektívekből és közöttük elrendezett F2 térfrekvenciaszűrőből épül fel.

A Moiré-interferométer után EE felületvevő van elrendezve, amelyhez A/D analóg/digitális-átalakító csatlakozik. Az A/D analóg/digitális-átalakító kimene50 te R számítógéppel van összekötve.

Az R számítógéppel M motor van összekapcsolva, amely rács referenciafázis-eltolását biztosítja.

A találmány szerinti elrendezés alkalmazásának leglényegesebb előnyei a következők:

- Az interferenciakép tiszta kétsugaras kép lesz, ezért többsugaras ínterferenciajelenségekből adódó járulékos hibaforrások nem keletkeznek.

— Az érzékenység a fordítótükrök elfordításával széles tartományban szabályozható, így az elrendezés cn különböző felületekhez illeszthető.

195 882 — Az illesztésnél a referenciafázis változtatására eljárásfüggő invariánsok által, azaz a prizma mozgatása révén nincs szükség.

- Az anamorfotikus képtorzítás olyan csekély, hogy a számítógép az intenzitásértékeket képes kiegyenlítés nélkül feldolgozni, így az anamorfotikus képtorzítás a beállított érzékenységtől igen csekély mértékben függ.

Claims (6)

1. Elrendezés műszaki felületek interferometrikus síkvizsgálatára, amelynek derékszögű prizmából és próbafelületből kialakított Fizeau-interferométere, valamint lézer fényforrása van, azzal jellemezve, hogy 15 a lézer, (L) sugármenetében λ/2-lemez (PL) van elhelyezve, amelyet felbontórendszer (A) követ, amely objektívekből (Οχ, O2) és diafragmából van kialakítva, továbbá a felbontórendszer (A) mögött fordítótükör (Sí) van elhelyezve, amelyhez a prizmából (P) 20 és próbafelületből (PR) kialakított Fizeau-interferométenvan illesztve, és a Fizeau-interferométerből kilépő sugármenetben további fordítótükör (S2) van elhelyezve, amelyet Moiré-interferométer követ, amely négy objektívbői (O3,04,05 és Og), az első két ob- 25 jektív (03,04)között elhelyezett térfrekvenciaszűrőből (Fi), a második és a harmadik objektív (04,05) között elrendezett diffrakciós elemből (BE), valamint a harmadik és a negyedik objektív (O5, Og) között elhelyezett második térfrekvenciaszűrőből (F2) épül fel, továbbá a Moiré-interferométer mögött felületvevő (FE) van elrendezve, amelyhez analóg/digitális5 -átalakító (A/D) csatlakozik, amely számítógéppel (R) van összekapcsolva.

2. Az 1. igénypont szerinti elrendezés, azzal jellemezve, hogy a fordítótükrök (δχ, S2), az érzékenység változtatása céljából a tükörpár belső tükörélén, a tü10 körfelület irányában futó tengely körül egymással ellentétes forgásirányban elfordíthatóan vannak elrendezve.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti elrendezés, azzal jellemezve, hogy a Moiré-interferométer diffrakciós eleme (BE) rácsként van megvalósítva.

4. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti elrendezés, azzal jellemezve, hogy a Moíré-interfeométer diffrakciós eleme (BE) hologramként van megvalósítva.

5. Az 1—4. igénypontok bármelyike szerinti elrendezés, azzal jellemezve, hogy a Moiré-interferométer diffrakciós eleme (BE) referenciafázis-eltolás céljából az elem síkjában, a rács-, illetve interferenciavonalakra merőleges irányban eltolhatóan van elrendezve.

6. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti elrendezés, azzal jellemezve, hogy a próbafelület (PR) a derékszögű prizma (P) átfogólapjával a diffrakciós elem (BE) térfrekvenciájától függő szöget bezáróan van elrendezve.