SU1763884A1

SU1763884A1 - Method for thickness measuring of optically transparent objects

Info

Publication number: SU1763884A1
Application number: SU904782370A
Authority: SU
Inventors: Владимир Николаевич Баранов; Эммануил Ильич Крупицкий; Сергей Викторович Морозов; Александр Сергеевич Родичев; Татьяна Николаевна Сергеенко
Original assignee: Ленинградский Электротехнический Институт Связи Им.Проф.М.А.Бонч-Бруевича
Priority date: 1990-01-15
Filing date: 1990-01-15
Publication date: 1992-09-23

Abstract

Способ относитс к области оптических методов контрол качества изготовлени и обработки плоских оптических, кристаллических и других элементов. В основу способа положен принцип гетеродинной интерферометрии. Целью изобретени вл етс повышение точности измерени раз- нотолщинности оптически прозрачных элементов и расширение класса контролируемых элементов по степени шероховатости , исходный световой пучок от лазера подвергают пространственно-временной модул ции, в результате которой получают два световых пучка, один из которых распростран етс под углом, соответствующим нулевому пор дку дифракции, а другой - под углом, соответствующим первому пор дку дифракции, при этом частота последнего светового пучка будет сдвинута на величину, определ емую частотой высокочастотного сигнала. После этого световой пучок, соответствующих нулевому пор дку дифракции, падает на фотоприемное устройство , мину исследуемый элемент, а световой пучок, соответствующий первому пор дку дифракции, падает на другое фотоприемное устройство, после прохождени через исследуемый оптически прозрачный элемент, где измен етс фаза этого светового пучка. Оба световых пучка интерферируют и преобразуютс в сигнал на разностной частоте изменени фазы интерференционного сигнала, используют дл определени изменени толщины ДЬ оптически прозрачного элемента по формуле (п - 1), где Я- длина волны света; п - показатель преломлени материала исследуемого элемента; изменение фазы одного из световых пучков на выходе прозрачного элемента. сл с Ч о CJ оо IOO i-NThe method relates to the field of optical methods for quality control of manufacturing and processing of flat optical, crystalline and other elements. The basis of the method based on the principle of heterodyne interferometry. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring the thickness of optically transparent elements and expanding the class of controlled elements according to the degree of roughness, the original light beam from the laser is subjected to space-time modulation, which results in two light beams, one of which propagates at an angle corresponding to the zero order of diffraction, and the other at an angle corresponding to the first order of diffraction, while the frequency of the last light beam will be shifted by Well defined by a high-frequency signal. After that, the light beam corresponding to the zero order of diffraction falls on the photodetector, the element under investigation is mined, and the light beam corresponding to the first diffraction order falls on another photodetector, after passing through the optically transparent element under study, where the phase of this light changes beam. Both light beams interfere and convert to a signal at the difference frequency of the phase change of the interference signal, used to determine the change in thickness D of an optically transparent element using the formula (n - 1), where I is the wavelength of the light; n is the refractive index of the material of the element under study; changing the phase of one of the light beams at the output of the transparent element. С С С about CJ oo IOO i-N

Description

Изобретение относитс к области измерительной техники и может найти применение в устройствах контрол качества изготовлени и обработки плоских оптических , кристаллических и других оптически прозрачных элементов.The invention relates to the field of measurement technology and can be used in quality control devices for manufacturing and processing flat optical, crystalline and other optically transparent elements.

Известен способ измерени оптической разности хода и оптической толщины тонких прозрачных пленок, основанный на использовании интерференционнойThe known method of measuring the optical path difference and optical thickness of thin transparent films, based on the use of interference

микроскопии. Точность измерени толщины пленок определ етс точностью наведени микроскопа на центр интерференционной полосы и не превышает Я/10, где Я-длина волны света.microscopy. The accuracy of measuring the thickness of the films is determined by the accuracy of pointing the microscope to the center of the interference band and does not exceed I / 10, where I is the wavelength of light.

С использованием этого же способа формировани интерференционного пол в нашей стране выпускаетс установка дл измерени толщины кварцевых пластин типа ИРП-1. Принцип работы прибора основан на интерференции двух лучей монохроматического света, отражающихс от верхней и нижней поверхностей исследуемой пластины. Толщина определ етс по кольцам интерференции по формуле А/2п, где п - коэффициент преломлени измер емой полированной пластины. Погрешность измерени при синем светофильтре - 0,07 мкм. Этот прибор позвол ет проводить измерени только дл полированных пластин, что сужает область применени этого устройства .Using the same method of forming an interference floor in our country, an installation for measuring the thickness of quartz plates of type IRP-1 is being manufactured. The principle of operation of the device is based on the interference of two monochromatic light rays reflected from the upper and lower surfaces of the plate under study. Thickness is determined by interference rings using the formula A / 2n, where n is the refractive index of the polished plate being measured. The measurement error at the blue light filter is 0.07 µm. This instrument allows measurements only for polished wafers, which limits the scope of application of this device.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению вл етс способ измерени толщины тонких прозрачных пленок, заключающийс в том, что плоскую аксиальную световую волну от когерентного источ- ника света направл ют на фазовую дифракционную решетку, изготовленную в качестве образца-свидетел одновременно с контролируемым объектом, затем пропускают через амплитудный растр с измен емым параметром и с пространственной частотой, равной частоте дифракционной решетки, и через положительную линзу, пе- редний фокус которой совпадает с плоскостью решени , учитыва создаваемую дифракционную картину, суд т о толщине пленок.The closest to the technical essence of the invention is a method for measuring the thickness of thin transparent films, which consists in that a flat axial light wave from a coherent light source is directed to a phase diffraction grating produced as a sample witness at the same time as the object being monitored, then passed through an amplitude raster with a variable parameter and with a spatial frequency equal to the frequency of the diffraction grating, and through a positive lens, the front focus of which coincides with by the resolution plane, taking into account the created diffraction pattern, the thickness of the films is judged.

В этом способе точность измерени толщины тонких прозрачных пленок зависит от погрешности перемещени амплитудного растра и погрешности при наблюдении гашени дифракционного максимума и не превышает величины А/40. In this method, the accuracy of measuring the thickness of thin transparent films depends on the error in the displacement of the amplitude raster and the error in observing the damping of the diffraction maximum and does not exceed the value of A / 40.

Целью изобретени вл етс повышение точности измерени и расширение класса контролируемых элементов по степени шероховатости.The aim of the invention is to improve the accuracy of measurement and the expansion of the class of controlled elements according to the degree of roughness.

Дл этого дифракционную структуру световой волны формируют с помощью аку.с .тооптического модул тора света, формируют интерференционную картину из нулевого и прошедшего элемент пор дков дифракции светового излучени , преобра- зуют ее в электрический сигнал и измер ют изменение его фазы, а толщину Ah элемента определ ют по формуле ли AAffTo do this, the diffraction structure of the light wave is formed using an acousto-optical optical modulator of light, an interference pattern is formed from the zero and past elements of the diffraction of light radiation, is converted into an electrical signal and the change in its phase is measured, and the thickness Ah of the element is determined by the formula of AAff

(п-1) (p-1)

где - изменение, фазы одного из световых пучков на выходе прозрачного элемента;where is the change, the phase of one of the light beams at the output of the transparent element;

А-длина волны света;A is the wavelength of light;

п - показатель преломлени материала контролируемого прозрачного элемента.n is the refractive index of the material of the monitored transparent element.

Точность измерени толщины элементов существенно повышаетс за счет того, что изменение фазы световой волны, прошедший измер емый элемент, контролируетс путем измерени фазы электрического сигнала разностной частоты с высокой точностью .The accuracy of measuring the thickness of the elements is greatly enhanced by the fact that the phase change of the light wave that passes the measured element is monitored by measuring the phase of the electrical signal of the difference frequency with high accuracy.

На чертеже представлена схема устройства дл осуществлени способа.The drawing shows a diagram of an apparatus for carrying out the method.

Устройство измерени толщины оптических прозрачных элементов содержит лазер 1, оптически св занный с оптическим входом акустооптического модул тора света 2, первый оптический выход которого св зан непосредственно с фотоприемным устройством 4, а второй выход - через исследуемый оптически прозрачный элемент 3, высокочастотный генератор 5, выход которого подключен к электрическому входу акустооптического модул тора света 2 и к первому входу фазометра 6, второй вход Которого св зан с выходом фотоприемного устройства 4, выход фазометра вл етс выходом устройства.A device for measuring the thickness of optical transparent elements contains a laser 1, optically connected to the optical input of an acousto-optic light modulator 2, the first optical output of which is connected directly to the photoreceiver 4, and the second output — through the investigated optically transparent element 3, high-frequency generator 5, output which is connected to the electrical input of the acousto-optic light modulator 2 and to the first input of the phase meter 6, the second input of which is connected to the output of the photoreceiver 4, the output of the phase meter in is output by the device.

Способ реализуетс следующим образом .The method is implemented as follows.

Светорой пучок от лазера 1 с длинной волны света А падает на акустооптический модул тор света 2, который возбуждаетс высокочастотным сигналом от генератора 5, и формирует на его выходе дифракционную структуру световой волны, содержащую нулевой и первый пор дки дифракции. Частота светового пучка, соответствующего первому пор дку дифракции, будет сдвинута на величину Д«, определ емую частотой высокочастотного сигнала от генератора 5. Далее один из световых пучков дифракционной структуры проходит мимо исследуемого элемента 3 и падает на фотоприемное устройство 4, а другой световой пучок измен ет свою фазу на Д, проход через исследуемый оптически прозрачный элемент 3, и падает тоже на фотоприемное устройство 4. Оба световых пучка интерферируют на поверхности фотоприемного устройства 4 и преобразуютс с помощью последнего в электрический сигнал на разностной частоте АИЛ фаза которого содержит величину А р. Электрический сигнал разностной частоты с фотоприемного устройства 4 поступает на одни из входов фазометра 6, на другой вход которого подаетс высокочастотный сигнал с генератора 5. При этом на выходе фазометра будем иметь интересующую нас величину А р, котора по формуле легко пересчитываетс в толщину A h прозрачного элементаA light beam from laser 1 from a long wave of light A falls on an acousto-optic light modulator 2, which is excited by a high-frequency signal from generator 5, and forms at its output a diffraction structure of a light wave containing zero and first diffraction orders. The frequency of the light beam corresponding to the first order of diffraction will be shifted by the value of D “, determined by the frequency of the high-frequency signal from oscillator 5. Then one of the light beams of the diffraction structure passes by the element 3 and falls on the photodetector 4, and the other light beam changes em its phase on D, the passage through the optically transparent element 3 under study, and also falls on the photoreceiver 4. Both light beams interfere on the surface of the photoreceiver 4 and are transformed from By the power of the latter an electrical signal at the difference frequency AIL, the phase of which contains the value A p. The electrical signal of the difference frequency from the photodetector 4 is fed to one of the inputs of the phase meter 6, to another input of which a high-frequency signal is fed from the generator 5. At the output of the phase meter we will have the value of A p of interest, which is easily converted into the formula A h by the transparent element

Ah P „ АП 2лг(п-1)Ah P „AP 2lg (p-1)

Способ позвол ет повысить точность измерени толщины оптически прозрачныхThe method allows to increase the accuracy of measuring the thickness of optically transparent

элементов до Я/500, а также расширить класс контролируемых элементов по степени шероховатости.elements to I / 500, and also to expand the class of controlled elements according to the degree of roughness.

Claims

The invention The method of measuring the thickness of optically transparent elements, which consists in forming the diffraction structure of a light wave from a coherent radiation source, directs the radiation from one of the diffraction orders to a transparent element and determines the thickness of the element, which is different in that and expansion of the class of controlled elements according to the degree of roughness, the diffraction structure of the light wave

0

five

using an acousto-optic light modulator, an interference pattern is formed from the zero and the past element of the diffraction order of the light radiation; it is converted into an electrical signal and the change in its phase is measured, and the thickness D of the element is determined by the formula

Ah n A; AP l, lp 2 (p-1)

where A is the phase change of one of the light beams at the output of the transparent element;

I is the wavelength of light;

n is the refractive index of the material of the monitored transparent element.