SU1744458A1

SU1744458A1 - Measurement method of relief of objects with rough surface

Info

Publication number: SU1744458A1
Application number: SU894770452A
Authority: SU
Inventors: Александр Григорьевич Ушенко; Сергей Борисович Ермоленко; Михаил Андреевич Недужко
Original assignee: Черновицкий Государственный Университет
Priority date: 1989-10-24
Filing date: 1989-10-24
Publication date: 1992-06-30

Abstract

Изобретение относитс к физической оптике и может быть использовано дл измерени формы шероховатых диэлектрических , металлических и полупроводниковых предметов, что актуально в оптическом и полупроводниковом приборостроении, точной механике, машиностроении и др. отрасл х науки и техники. Целью изобретени вл етс повышение точности измерени , а также расширение области его использовани за счет возможности измерений рельефа объектов, размеры микронеровностей которых сопоставимы с длиной волны падающего излучени . В способе задают плоскость колебаний лазерного пучка под углом 45&deg; к плоскости падени , формирование когерентного изображени поверхности объекта производ т в двух взаимно перпендикул рных плоскост х регистрации , ортогональных направлению облучени , сканируют полученные изображени , выдел ют зоны коррел ции, измер ют распределение азимутов пол ризации световых колебаний зон коррел ции когерентных изображений и по полученным данным рассчитывают рельеф объекта с шероховатой поверхностью. 1 ил. (Л С 4 4 N СПThe invention relates to physical optics and can be used to measure the shape of rough dielectric, metal, and semiconductor objects, which is important in optical and semiconductor instrument making, precision mechanics, mechanical engineering, and other fields of science and technology. The aim of the invention is to improve the measurement accuracy, as well as to expand the range of its use due to the possibility of measuring the relief of objects, the dimensions of asperities of which are comparable with the wavelength of the incident radiation. In the method, the plane of oscillation of the laser beam is set at an angle of 45 ° C. to the plane of incidence, the formation of a coherent image of the surface of an object is carried out in two mutually perpendicular registration planes orthogonal to the irradiation direction; According to the data, the relief of an object with a rough surface is calculated. 1 il. (L S 4 4 N SP

Description

Изобретение относитс к физической оптике и может быть использовано дл измерени формы шероховатых диэлектрических , металлических и полупроводниковых предметов, что актуально в оптическом и полупроводниковом приборостроении, точной механике, машиностроении и др. отрасл х науки и техники.The invention relates to physical optics and can be used to measure the shape of rough dielectric, metal, and semiconductor objects, which is important in optical and semiconductor instrument making, precision mechanics, mechanical engineering, and other fields of science and technology.

Известны оптические способы измерени рельефа объектов, основанные на чистоOptical methods are known for measuring the relief of objects based on purely

детерминированном факторе, св занном с тем, что при изменении параметров подсвечивающего объекта излучени набег фазы чр (в) от точки на поверхности объекта до соответствующей точки пол измен етс при малом изменении параметров 0 на величину А, пропорциональную высоте рельефа hp. Так, например, если мен етс длина волныthe deterministic factor associated with the fact that when the parameters of the illuminating object of the radiation are changed, the phase incursion rr (c) from a point on the object's surface to the corresponding point of the field changes when the parameters 0 are small by an amount A proportional to the height of the relief hp. For example, if the wavelength changes

от AI до 2, то А V - 2 jr(Ai - Аа) пр/Д Еели измен етс направление угла подсвета от #1 до QI , то AV (01 3) hp/A..from AI to 2, then А V - 2 jr (Ai - Аа) пр / Д Еели changes the direction of the illumination angle from # 1 to QI, then AV (01 3) hp / A ..

Недостатком двухпараметрического метода вл етс то, что дл его реализации требуетс использование двух взаимно когерентных источников. На практике их использовать достаточно трудно из-за необходимости использовани высококогерентного излучени , подсвечивающего объект , а также достаточно стабильной установки дл получени топограммы (линий равных фаз) исследуемой поверхности. Помимо этого, наличие шероховатостей обуславливает п тнистость когерентного изображени , котора приводит к тому, что контраст топограммы падает до нул , т.е. точность метода резко падает.The disadvantage of the two-parameter method is that its implementation requires the use of two mutually coherent sources. In practice, it is quite difficult to use them because of the need to use high-coherence radiation, which illuminates the object, as well as a sufficiently stable installation to obtain a topogram (lines of equal phases) of the surface under study. In addition, the presence of roughness causes the cohesive image patchiness, which leads to the fact that the contrast of the topogram drops to zero, i.e. the accuracy of the method drops sharply.

Наиболее близким к изобретению вл етс способ, в котором дл определени рельефа поверхности объекта исследуют распределение интенсивности водной реализации когерентного изображени этой поверхности. Однопараметрический метод подраздел етс на неоптимальный и оптимальный . В первом случае объект освещают узконаправленным когерентным пучком, затем по рассе нному полю е (определ етс углова ширина рассе нного поверхностью пучка. В соответствии с законами геометрической оптики она приблизительно равна крутизне неровностей у. Далее эта поверхность подсвечиваетс пучком размером пор дка 2 г0 у, где г0 - ожидаемый радиус кривизны поверхности. Зна у, по характеру распределени интенсивности в окрестности изображени максимально ркой точки исследуемой поверхности определ ют радиус ее кривизны.Closest to the invention is a method in which to determine the surface topography of an object, the intensity distribution of the water realization of a coherent image of this surface is examined. The one parameter method is divided into non-optimal and optimal. In the first case, the object is illuminated with a narrowly directed coherent beam, then over the scattered field e (the angular width of the beam scattered by the surface is determined. In accordance with the laws of geometrical optics, it is approximately equal to the steepness of the irregularities Y. Then this surface is illuminated with a beam of about 2 r0 y where r0 is the expected radius of curvature of the surface. By knowing the nature of the intensity distribution in the vicinity of the image, the radius of its curvature is determined by the maximum point of the studied surface.

Целью изобретени вл етс повышение точности измерени , а также расширение области его использовани за счет возможности измерени рельефа объектов, размеры микронеровностей которых сопоставимы с длиной волны падающего излучени .The aim of the invention is to improve the measurement accuracy, as well as to expand the area of its use due to the possibility of measuring the relief of objects, the dimensions of asperities of which are comparable with the wavelength of the incident radiation.

Это достигаетс тем, что задают плоскость колебаний лазерного пучка под углом 45° к плоскости падени , формирование когерентного изображени поверхности объекта производ т в двух взаимно перпендикул рных плоскост х регистрации , ортогональных направлению облучени , сканируют полученные изображени . Выдел ют зоны коррел ции, измер ют распределение азимутов пол ризации световых колебаний зон коррел ции когерентных изображений и по полученным данным рассчитывают рельеф объекта с шероховатой поверхностью.This is achieved by setting the plane of oscillation of the laser beam at an angle of 45 ° to the plane of incidence, the formation of a coherent image of the object surface is carried out in two mutually perpendicular recording planes orthogonal to the irradiation direction, and the resulting images are scanned. Correlation zones are identified, the azimuth distribution of the polarization of the light oscillations of the correlation zones of coherent images is measured, and the relief of an object with a rough surface is calculated from the data obtained.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего предложенный способ дл отражающих объектов.The drawing shows a diagram of the device that implements the proposed method for reflecting objects.

Устройство содержит источник 1 излучени , коллиматор 2, четвертьволновую пластинку 3, пол ризатор 4, проекционные объективы 5,6, полевые диафрагмы 7 и 8, магнитооптические чейки 9 и 10, анализаторы 11 и 12, фотоэлектронные умножителиThe device contains a radiation source 1, a collimator 2, a quarter-wave plate 3, a polarizer 4, projection lenses 5.6, field diaphragms 7 and 8, magneto-optical cells 9 and 10, analyzers 11 and 12, photomultipliers

13 и 14, устройство св зи с объектом 15 и 16, миниЭВМ 17, объект 18.13 and 14, the communication device with the object 15 and 16, mini-computer 17, object 18.

Устройство работает следующим образом . На вход устройства поступает излучение одномодового лазера ЛГН-215The device works as follows. The input of the device receives the radiation of a single-mode LGN-215 laser.

(источник излучени 1); коллиматор 2, состо щий из двух объективов и диафрагмы между ними, служит дл расширени пучка и формировани волны с плоским волновым фронтом. Пластинка 3 ориентируетс таким образом, что ее ось наибольшей скорости(radiation source 1); The collimator 2, consisting of two objectives and a diaphragm between them, serves to expand the beam and form a wave with a plane wave front. Plate 3 is oriented so that its axis of greatest speed

составл ет угол 45° с плоскостью пол ризации лазерного пучка, что позвол ет получить циркул рную пол ризацию лазерного пучка. Пол ризатор 4 формирует плоскость колебаний световой волны под углом 45° кmakes an angle of 45 ° with the plane of polarization of the laser beam, which makes it possible to obtain a circular polarization of the laser beam. Polarizer 4 forms the plane of oscillations of the light wave at an angle of 45 ° to

плоскости падени . Оптические оси объективов 5 и 6 совпадают с меридиональной и сагиттальной ос ми. Эти объективы проецируют изображение исследуемого объекта в плоскость полевых диафрагм 7 и 8, за которыми расположены магнитооптические модул торы 9 и 10 и анализаторы 11 и 12.plane of incidence. The optical axes of lenses 5 and 6 coincide with the meridional and sagittal axes. These lenses project the image of the object under investigation into the plane of field diaphragms 7 and 8, behind which magneto-optical modulators 9 and 10 and analyzers 11 and 12 are located.

Размеры полевых диафрагм выбираютс пор дка 1/10 части размера зоны коррел ции в когерентном изображенииField diaphragm sizes are in the order of 1/10 of the size of the correlation zone in a coherent image.

шероховатого объекта. Измерение азимута пол ризации световых колебаний осуществл етс с помощью системы магнитооптический модул тор 9,10 - анализатор 11, 12: добиваютс получени минимального сигнала , что контролируетс по удвоению частоты переменного пол , питающего модул ционную катушку модул тора. Затем определ ют величину поворота плоскости пол ризации световых колебаний выделенной зоны коррел ции.rough object. The measurement of the azimuth of the polarization of the light oscillations is carried out using a magneto-optical modulator system 9,10 –analyzer 11, 12: the minimum signal is obtained, which is controlled by doubling the frequency of the ac field feeding the modulation coil of the modulator. Then, the magnitude of the rotation of the plane of polarization of the light oscillations of the selected correlation zone is determined.

Далее путем сканировани полученных когерентных изображений выдел ютс новые зоны коррел ции в меридиональной и сагиттальной плоскост х и таким образом в пам ти устройств св зи накапливаютс массивы значений поворотов плоскости пол ризации в зонах коррел ции и статически обрабатываютс с помощью миниЭВМ. ВThen, by scanning the obtained coherent images, new correlation zones are selected in the meridional and sagittal planes, and thus arrays of values of rotation of the polarization plane in the correlation zones are accumulated in the memory of communication devices and statically processed by mini-computers. AT

результате получаем информацию о рельефе объекта с шероховатой поверхностью в меридиональном и сагиттальном его сече- ни х. Аналогично можно определ ть и семейство сагиттальных сечений рельефа объемного тела с шероховатой поверхностью, определ его форму.As a result, we obtain information on the relief of an object with a rough surface in its meridional and sagittal sections. Similarly, the family of sagittal sections of the relief of a volumetric body with a rough surface can be defined, determining its shape.

Предлагаемый способ расшир ет возможности измерени рельефа объектов с шероховатой поверхностью, микронеровности которых сопоставимы с длиной волны падающего излучени , а также позвол ет проводить более точные измерени рельефа , поскольку точность измерени азимута пол ризации при помощи магнитооптического модул тора составл ет величину пор дка нескольких угловых секунд. Следовательно, предлагаемый способ позвол ет проводить измерени профил поверхности шероховатого объекта с аналогичной точностью, что на 4-5 пор дков выше точности измерений, достигаемых в прототипе. С этой же точностью осуществл етс измерение рельефа шероховатого объекта, размер микронеоднородностей поверхности которого пор дка длины волны падающего излучени , что вл етс недостижимым в прототипе.The proposed method extends the measurement of the relief of objects with a rough surface, the microscopic irregularities of which are comparable to the wavelength of the incident radiation, and also allows for more accurate measurements of the relief, since the accuracy of the measurement of the azimuth polarization using a magneto-optical modulator is in the order of several angular seconds . Therefore, the proposed method allows measurements of the surface profile of a rough object with a similar accuracy, which is 4-5 times higher than the accuracy of measurements achieved in the prototype. With the same accuracy, the measurement of the relief of a rough object is carried out, the size of the surface micro-inhomogeneities of which is in the order of the wavelength of the incident radiation, which is unattainable in the prototype.

Claims

The invention The method of measuring the relief of objects with a rough surface, which consists in irradiating an object with a coherent laser beam, forms a coherent

image of the object and calculate the surface topography, characterized in that, in order to improve the measurement accuracy, as well as to expand the area of its use due to the possibility

Measuring the relief of objects with the dimensions of asperities that are comparable to the wavelength of the incident radiation, specifying the plane of oscillation of the laser beam at an angle of 45 ° to the plane of incidence, the formation of a coherent image of the object's surface is performed in two mutually perpendicular registration planes orthogonal to the irradiation direction; .

zones of correlation are identified, the distribution of azimuths of polarization of light oscillations of zones of correlation of coherent images is measured, and the relief of an object with a rough

by the surface.