Способ измерения толщины оптически прозрачных элементов

 

Способ относится к области оптических методов контроля качества изготовления и обработки плоских оптических, кристаллических и других элементов. В основу способа положен принцип гетеродинной интерферометрии. Целью изобретения является повышение точности измерения разнотолщинности оптически прозрачных элементов и расширение класса контролируемых элементов по степени шероховатости , исходный световой пучок от лазера подвергают пространственно-временной модуляции, в результате которой получают два световых пучка, один из которых распространяется под углом, соответствующим нулевому порядку дифракции, а другой - под углом, соответствующим первому порядку дифракции, при этом частота последнего светового пучка будет сдвинута на величину, определяемую частотой высокочастотного сигнала. После этого световой пучок, соответствующих нулевому порядку дифракции, падает на фотоприемное устройство , минуя исследуемый элемент, а световой пучок, соответствующий первому порядку дифракции, падает на другое фотоприемное устройство, после прохождения через исследуемый оптически прозрачный элемент, где изменяется фаза этого светового пучка. Оба световых пучка интерферируют и преобразуются в сигнал на разностной частоте изменения фазы интерференционного сигнала, используют для определения изменения толщины ДЬ оптически прозрачного элемента по формуле (п - 1), где Я- длина волны света; п - показатель преломления материала исследуемого элемента; изменение фазы одного из световых пучков на выходе прозрачного элемента. сл с Ч о CJ оо IOO i-N

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 В 11/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

iQ. !

ы о QO

I ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4782370/28 (22) 15.01.90 (46) 23.09.92. Бюл. М 35 (71) Ленинградский электротехнический институт связи им. проф, M.À.Áîí÷-Бруевича (72) B.Н,Баранов, Э.И.Крупицкий, С.B.Морозов, А.С.Родичев и Т.Н.Сергеенко (56) Авторское свидетельство СССР

N. 556313, кл. G 01 В 11/06, 1971. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (57) Способ относится к области оптических методов контроля качества изготовления и обработки плоских оптических, кристаллических и других элементов. В основу способа положен принцип гетеродинной интерферометрии. Целью изобретения является повышение точности измерения разнотолщинности оптически прозрачных элементов и расширение класса контролируемых элементов по степени шероховатости, исходный световой пучок от лазера подвергают пространственно-временной модуляции, в результате которой получают два световых пучка, один из которых распространяется под углом, соответствуюИзобретение относится к области измерительной техники и может найти применение в устройствах контроля качества изготовления и обработки плоских оптических, кристаллических и других оптически прозрачных элементов.

Известен способ измерения оптической разности хода и оптической толщины тонких прозрачных пленок, основанный на использовании интерференционной

„>5lJ Ä> 1763884 А1 щим "нулевому" порядку дифракции, а другой — под углом, соответствующим "первому" порядку дифракции, при этом частота последнего светового пучка будет сдвинута на величину, определяемую частотой высокочастотного сигнала. После этого световой пучок, соответствующих "нулевому" порядку дифракции, падает на фотоприемное устройство, минуя исследуемый элемент, а световой пучок, соответствующий "первому" порядку дифракции, падает на другое фотоприемное устройство, после прохождения через исследуемый оптически прозрачный элемент, где изменяется фаза этого светового пучка, Оба световых пучка интерферируют и преобразуются в сигнал на разностной частоте изменения фазы интерференционного сигнала, используют для определения изменения толщины hh оптически прозрачного элемента по формуле Л h = Л Л р/2 x (n - 1), где Л вЂ” длина волны света; и — показатель преломления материала исследуемого элемента; Лризменение фазы одного из световых пучков на выходе прозрачного элемента. микроскопии. Точность измерения толщины пленок определяется точностью наведения микроскопа на центр интерференционной полосы и не и ревы шает )./10, где Л вЂ” длина волны света.

С использованием этого же способа формирования интерференционного поля в нашей стране выпускается установка для измерения толщины кварцевых пластин типа ИРП-1. Принцип работы прибора осно1763884

45

55 ван на интерференции двух лучей монохроматического света, отражающихся от верхней и нижней поверхностей исследуемой пластины. Толщина определяется по кольцам интерференции по формуле А/2п, где и — коэффициент преломления измеряемой полированной пластины, Погрешность измерения при синем светофильтре — 0,07 мкм. Этот прибор позволяет проводить измерения только для полированных пластин, что сужает область применения этого устройства.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения толщины тонких прозрачных пленок, заключающийся в том, что плоскую аксиальную световую волну от когерентного источника света направляют на фазовую дифракционную решетку, изготовленную в качестве образца-свидетеля одновременно с контролируемым объектом, затем пропускают через амплитудный растр с изменяемым параметром и с пространственной частотой, равной частоте дифракционной решетки, и через положительную линзу, передний фокус которой совпадает с плоскостью решения, учитывая создаваемую дифракционную картину, судят о толщине пленок.

В этом способе точность измерения толщины тонких прозрачных пленок зависит от погрешности перемещения амплитудного растра и погрешности при наблюдении гашения дифракционного максимума и не превышает величины Х/40.

Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение класса контролируемых элементов по степени шероховатости.

Для этого дифракционную структуру световой волны формируют с помощью аку.-, стооптического модулятора света, формируют интерференционную картину из нулевого и прошедшего элемент порядков дифракции светового излучения, преобразуют ее в электрический сигнал и измеряют изменение его фазы, а толщину hh элемента определяют по формуле " гк г т) где h p — изменение, фазы одного из световых пучков на выходе прозрачного элемента;

Х вЂ” длина волны света; и — показатель преломления материала контролируемого прозрачного элемента, Точность измерения толщины элементов существенно повышается за счет того, что изменение фазы световой волны, про5

35 шедший измеряемый элемент, контролируется путем измерения фазы электрического сигнала разностной частоты с высокой точностью.

На чертеже представлена схема устройства для осуществления способа, Устройство измерения толщины оптических прозрачных элементов содержит лазер

1, оптически связанный с оптическим входом акустооптического модулятора света 2, первый оптический выход которого связан непосредственно с фотоприемным устройством 4, а второй выход — через исследуемый оптически прозрачный элемент 3, высокочастотный генератор 5, выход которого подключен к электрическому входу акустооптического модулятора света 2 и к первому входу фазометра 6, второй вход которого связан с выходом фотоприемного устройства 4, выход фазометра является выходом устройства.

Способ реализуется следующим образом.

Световой пучок от лазера 1 с длинной волны света А падает на акустооптический модулятор света 2, который возбуждается высокочастотным сигналом от генератора 5, и формирует на его выходе дифракционную структуру световой волны, содержащую нулевой и первый порядки дифракции, Частота светового пучка, соответствующего первому порядку дифракции, будет сдвинута на величину Лв, определяемую 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 изменяет свою фазу на Лр, проходя через исследуемый оптически прозрачный элемент 3, и падает тоже на фотоприемное устройство

4, Оба световых пучка интерферируют на поверхности фотоприемного устройства 4 и преобразуются с помощью последнего в электрический сигнал на разностной частоте Лсо, фаза которого содержит величину

Лр. Электрический сигнал разностной частоты с фотоприемного устройства 4 поступает на одни из входов фазометра 6, на другой вход которого подается высокочастотный сигнал с генератора 5. При этом на выходе фазометра будем иметь интересующую нас величину Л р, которая по формуле легко пересчитывается в толщину Л h прозрачного элемента д„ ЛЛ

Способ позволяет повысить точность измерения толщины оптически прозрачных

1763884 элементов до Л/500, а также расширить класс контролируемых элементов по степени шероховатости.

Составитель Т,Сергеенко

Техред М.Моргентал Корректор А.Козориз

Редактор

Заказ 3449 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

Способ измерения толщины оптически прозрачных элементов, заключающийся в том, что формируют дифракционную структуру световой волны от источника когерентного излучения, направляют излучение одного из дифракционных порядков на прозрачный элемент и определяют толщину элемента, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения и расширения класса контролируемых элементов по степени шероховатости, дифракционную структуру световой волны формируют с помощью акустооптического модулятора света, формируют интерференционную картину из нулевого и прошедшего элемента порядков дифракции светового

5 излучения, преобразуют ее в электрический сигнал и измеряют изменение его фазы, а толщину ЬЬ элемента определяют по формуле

ЛЬ

10 zn— где Л р- изменение фазы одного из световых пучков на выходе прозрачного элемента;

Л вЂ” длина волны света;

15 и — показатель преломления материала контролируемого прозрачного элемента.