RU2095793C1

RU2095793C1 - Method of checking the sapphire plates having rough surfaces

Info

Publication number: RU2095793C1
Application number: RU96102646A
Authority: RU
Inventors: Олег Владимирович Астафьев; Виктор Петрович Калинушкин
Original assignee: Олег Владимирович Астафьев; Виктор Петрович Калинушкин
Priority date: 1996-02-14
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: defectoscopy. SUBSTANCE: method includes scanning of plate by laser radiation and recording of diffused radiation. Scanning is performed with CO-laser with radiation wave length of 5-6 mcm and beam diameter

Description

Изобретение относится к дефектоскопическим методам контроля сапфировых пластин, в частности к способам обнаружения пузырьковых дефектов в пластинах со шлифованными поверхностями, например сапфировых часовых стеклах. The invention relates to flaw detection methods for monitoring sapphire plates, in particular to methods for detecting bubble defects in plates with polished surfaces, for example sapphire watch glasses.

Известен способ контроля пластин, например, сапфировых часовых стекол на наличие дефектов, заключающихся в визуальном просмотре пластин, смачиваемых этиловым спиртом (см. [1] ). Сапфировые часовые стекла, поступающие после операции шлифовки, имеют матовые поверхности, что сильно затрудняет обнаружение дефектов, находящихся внутри пластин. В результате не все дефектные пластины отбраковываются, а с другой стороны в брак попадает часть годной продукции. Такой контроль также неэффективен при серийном производстве, т.к. требует большого количества контролеров. A known method of monitoring the plates, for example, sapphire watch glasses for defects, consisting in the visual viewing of the plates wetted with ethyl alcohol (see [1]). Sapphire watch glasses coming after the grinding operation have matte surfaces, which greatly complicates the detection of defects inside the plates. As a result, not all defective plates are rejected, but on the other hand, part of the good production falls into the marriage. Such control is also ineffective in mass production, as requires a large number of controllers.

Известен способ для контроля стеклянных изделий (см.[2]) Способ включает просвечивание изделия световым завесом и регистрацию рассеянного излучения, по которому определяют наличие дефектов. Однако в случае сильно рассеивающей поверхности, например шлифованной, возникает высокий уровень фона, который не позволяет распознавать слабые дефекты в объеме образца, а слой, находящийся непосредственно вблизи поверхности, вообще не может быть проконтролирован, что делает невозможным регистрацию объемных дефектов в относительно тонких пластинах. Способ предполагает использование матрицы фотоприемников в качестве регистрирующего элемента, в среднем же и дальнем инфракрасном диапазоне они дороги и обладают низкой чувствительностью. A known method for monitoring glass products (see [2]). The method includes translucent of the product with a light curtain and registration of scattered radiation, which determines the presence of defects. However, in the case of a strongly scattering surface, for example, a polished surface, a high level of background occurs, which does not allow one to recognize weak defects in the bulk of the sample, and a layer located directly near the surface cannot be controlled at all, which makes it impossible to register bulk defects in relatively thin plates. The method involves the use of a matrix of photodetectors as a recording element, but in the middle and far infrared they are expensive and have low sensitivity.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому способ для контроля пластин на наличие дефектов (см.[3]). Способ заключается в сканировании образца лазерным излучением и регистрации картины рассеянного дефектами излучения, находящимися внутри исследуемого образца. Однако указанный способ не обеспечивает обнаружение дефектов в объеме тонких пластин, а также под шлифованными поверхностями. Кроме того, требуется наличие плоской полированной грани на торце пластины для ввода лазерного излучения. Known closest in technical essence to the proposed method for monitoring plates for defects (see [3]). The method consists in scanning the sample with laser radiation and registering the pattern of radiation scattered by the defects located inside the test sample. However, this method does not detect defects in the volume of thin plates, as well as under polished surfaces. In addition, the presence of a flat polished face at the end of the plate for inputting laser radiation is required.

Целью изобретения является повышение эффективности и качества контроля сапфировых пластин с шероховатыми поверхностями. The aim of the invention is to increase the efficiency and quality of control of sapphire plates with rough surfaces.

Указанная цель достигается тем, что в способе контроля пластин на наличие дефектов, включающем сканирование пластины лазерным излучением и регистрацию рассеянного излучения, сканирование пластины проводят со стороны фронтальной шероховатой поверхности CO-лазером с длиной волны излучения 5-6 мкм и диаметром пучка

,
где λ-длина волны зондирующего излучения;
h-толщина пластины,
а регистрируют рассеянное излучение, прошедшее через торцевую поверхность пластины.This goal is achieved by the fact that in the method for monitoring the plates for defects, including scanning the plate with laser radiation and recording scattered radiation, the plate is scanned from the front rough surface with a CO laser with a radiation wavelength of 5-6 μm and a beam diameter

,
where λ is the wavelength of the probe radiation;
h-plate thickness
and the scattered radiation transmitted through the end surface of the plate is recorded.

На фиг. 1 приведена схема распространения рассеянного излучения от поверхностей и от дефекта, величина и яркость стрелок качественно характеризуют величину интенсивности рассеяния. In FIG. Figure 1 shows the distribution of scattered radiation from surfaces and from a defect, the magnitude and brightness of the arrows qualitatively characterize the magnitude of the scattering intensity.

На фиг. 1 показаны пучок 1 лазерного излучения, исследуемая пластина 2, рассеяние 3 от объемного дефекта; рассеяние 4 от поверхности; регистрируемое рассеянное излучение 5. In FIG. 1 shows a laser beam 1, a test plate 2, scattering 3 from a volume defect; scattering 4 from the surface; registered scattered radiation 5.

На фиг.2а,б представлены изображения пластин в рассеянном излучении, белые пятна соответствуют наличию дефектов в пластине. On figa, b presents the image of the plates in the scattered radiation, white spots correspond to the presence of defects in the plate.

Сканирующий пучок лазерного излучения 1, проходя через материал пластины 2, рассеивается на имеющихся в ней дефектах 3, что приводит к изменению интенсивности рассеянного излучения по сравнению с бездефектной областью, что при регистрации обнаруживается как появление ярких пятен в изображении платины. The scanning laser beam 1, passing through the material of the plate 2, is scattered by the defects 3 present in it, which leads to a change in the intensity of the scattered radiation in comparison with the defect-free region, which, when detected, is detected as the appearance of bright spots in the image of platinum.

Сканирование пластины CO-лазером с длиной волны 5-6 мкм обусловлено тем, что указанная длина волны, с одной стороны, находится в полосе пропускания материала пластины-сапфира, а с другой стороны, обеспечивает проникновение пучка через шероховатую поверхность, так как размер неровностей на ней в несколько раз меньше длины волны излучения. Интервал значений 5-6 мкм излучения является технической характеристикой CO-лазера и приведенное выше обоснование справедливо как для верхней, так и для нижней его границы. Scanning the plate with a CO laser with a wavelength of 5-6 μm is due to the fact that the indicated wavelength, on the one hand, is in the transmission band of the sapphire plate material, and on the other hand, ensures the penetration of the beam through a rough surface, since the size of the irregularities on it is several times smaller than the radiation wavelength. The range of 5–6 μm radiation is a technical characteristic of a CO laser, and the above justification is valid for both its upper and lower boundaries.

Величина рассеяния от поверхностей 4 пропорциональна синусу угла наблюдения по отношению к ее плоскости, т.е. для уменьшения влияния поверхностей необходимо регистрировать излучение 5 под малыми углами. Излучение, рассеянное под углами полного внутреннего отражения, распространяется в ней, как в световоде к краям (см. фиг.1). Угол, в пределах которого регистрируется излучение, должен быть мал для того, чтобы уменьшить влияние рассеяния от шероховатых поверхностей, и рассеянное излучение под этими углами не может выйти через поверхности и полностью достигает торцов благодаря волноводному эффекту, т.е. необходимо осуществлять регистрацию излучения, вышедшего через торцы пластины. Это позволяет практически свести к нулю уровень фона при регистрации рассеянного излучения и, следовательно, уменьшить пороговое значение обнаружения изменения интенсивности. The amount of scattering from surfaces 4 is proportional to the sine of the observation angle with respect to its plane, i.e. to reduce the influence of surfaces, it is necessary to register radiation 5 at small angles. Radiation scattered at angles of total internal reflection propagates in it, as in a fiber to the edges (see figure 1). The angle within which the radiation is detected should be small in order to reduce the effect of scattering from rough surfaces, and the scattered radiation at these angles cannot exit through the surfaces and reaches the ends completely due to the waveguide effect, i.e. it is necessary to carry out the registration of radiation released through the ends of the plate. This makes it possible to practically reduce the background level to zero when recording scattered radiation and, therefore, reduce the threshold value for detecting changes in intensity.

Для выбора оптимального значения оценим минимальный диаметр луча, который определяет наилучшее разрешение. Дифракционное расхождение на глубине пластины не должно превышать диаметр входящего пучка. Для длины волны l и диаметра луча d пучок разойдется на величину

, где h- толщина пластины, т. е. минимальный диаметр луча

Предложенный способ для контроля пластин с шероховатой поверхностью был применен для отбраковки пластин искусственного сапфира, предназначенных для часовых стекол, уже на стадии шлифовки, например для контроля дефектов, представляющих собой скопление пузырей микронного масштаба. При толщине пластин h= 1мм и исходя из приведенной формулы и длины волны CO-лазера с максимумом интенсивности, приходящимся на 5,5 мкм, диаметр излучения

, например 100 мкм.To select the optimal value, we estimate the minimum beam diameter that determines the best resolution. The diffraction discrepancy at the depth of the plate should not exceed the diameter of the incoming beam. For wavelength l and beam diameter d, the beam will diverge by

where h is the plate thickness, i.e., the minimum beam diameter

The proposed method for controlling plates with a rough surface was used to reject artificial sapphire plates intended for watch glasses already at the grinding stage, for example, to control defects representing an accumulation of micron-sized bubbles. When the plate thickness h = 1 mm and based on the above formula and the wavelength of the CO laser with a maximum intensity per 5.5 μm, the radiation diameter

for example 100 microns.

Пластины зондировались тонким пучком света CO-лазера в области среднего ИК диапазона с длиной волны 5-6 мкм, регистрация проводилась одноэлементным приемником с полосой 2-6 мкм на основе InSb, после обработки зарегистрированного сигнала было получено изображение, приведенное на фиг.2. Дефектным областям соответствуют светлые пятна. После применения предложенного способа возврат пластин с последующих стадий обработки практически прекратился. The plates were probed with a thin light beam of a CO laser in the mid-IR range with a wavelength of 5-6 μm, registration was carried out by a single-element receiver with a 2-6 μm band based on InSb, after processing the recorded signal, the image shown in Fig. 2 was obtained. Defective areas correspond to light spots. After applying the proposed method, the return of the plates from the subsequent processing steps has practically ceased.

Claims

A method for monitoring sapphire wafers with rough surfaces for defects, including scanning the wafer with laser radiation and detecting scattered radiation, characterized in that the scanning is performed from the front rough surface with a CO laser with a radiation wavelength of 5 6 μm and a beam diameter

where λ is the wavelength of the transmission radiation;
h is the thickness of the plate, and the radiation transmitted through the end surface of the plate is recorded.