SU1700358A1 - Method and device for determining article surface roughness parameters - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике; в частности к способам и устройствам дл  измерени  субмикронной шероховатости поверхности. Цель изобретени  - повышение точности определени  и информативности за счет того; что при возбуждении пленарного волновода когерентным излучением используют многомодовый волновод, а регистрацию интенсивности рассе нного от поверхности излучени  производ т под разными углами к исследуемой поверхности и под разными углами к плоскости падени  излучени , а также за счет определени  параметров шероховатости: пространственного периода, амплитуды гармонических составл ющих и среднеквадратичного отклонени  поверхности от плоскости. Способ заключаетс  в том, что возбуждают планарный волновод когерентным излучением, регистрируют интенсивность падающего на исследуемую поверхность излучени  и угловое распределение интенсивности рассе нного от исследуемой поверхности излучени , по ним наход т двумерную функцию спектральной плотности шероховатости, по которой определ ют параметры шероховатости: пространственный период, амплитуды гармонических составл ющих и среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости. При возбуждении используют многомодовый волновод, а регистрацию интенсивности падающего на поверхность из- лучени  и регистрацию углового распределени  интенсивности рассе нного от поверхности излучени  производ т под разными углами к исследуемой поверхности и под разными углами к плоскости падени  излучени . 2 с.п.ф-лы, 2 ил. сл с х| О О СО СП 00.This invention relates to a measurement technique; in particular, to methods and devices for measuring submicron surface roughness. The purpose of the invention is to improve the accuracy of determination and information content due to the fact; that when a plenary waveguide is excited by coherent radiation, a multimode waveguide is used, and the intensity of the radiation scattered from the surface is recorded at different angles to the surface under study and at different angles to the plane of incidence of the radiation, as well as by determining the roughness parameters: the spatial period, the amplitudes of the harmonics and rms deviation of the surface from the plane. The method consists in exciting a planar waveguide with coherent radiation, recording the intensity of the radiation incident on the test surface and the angular distribution of the intensity of the radiation scattered from the test surface, using a two-dimensional roughness spectral density function, which determines the roughness parameters: the spatial period the amplitudes of the harmonic components and the standard deviation of the surface from the plane. During excitation, a multimode waveguide is used, and the intensity of the radiation incident on the surface and the angular distribution of the intensity of the radiation scattered from the surface are recorded at different angles to the surface under study and at different angles to the plane of incidence of the radiation. 2 sp.f-ly, 2 ill. sl with x | About About CO SP 00.

Description

Изобретение относитс  к измеритель-- ной технике, а именно к способам и устройствам измерени  субмикронной шероховатости поверхности, а также к оптике .The invention relates to a measuring technique, in particular to methods and devices for measuring submicron surface roughness, as well as optics.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности  вл етс  способ определени  параметров шероховатости поверхности , заключающийс  в том, что на основе контролируемого образца (поверхности ) создаетс  путем нанесени  диэлектрических слоев планарный волновод (ПВ). Введенный через оптический элемент св зи в волновод свет, распростран  сь, рассеиваетс  на шероховатост х контролируемой поверхности. Внутриволноводна  частьThe closest to the invention in its technical nature is a method for determining the parameters of surface roughness, which consists in the fact that a planar waveguide (PV) is created by applying dielectric layers on the basis of a test sample (surface). The light introduced through the optical coupling element into the waveguide is diffused into the roughness of the test surface. Intrawater part

рассе нного излучени  наблюдаетс  в виде углового распределени  света. В одномодо- вом волноводе наблюдаетс  только один конус рассе нного излучени . Выражение дл  относительных потерь мощности водновод- ной моды на рассе ние на шероховатост х контролируемой поверхности позвол ет определ ть по измеренному энергетическому .спектру статистические характеристики шероховатой поверхности.scattered radiation is observed in the form of the angular distribution of light. In a single-mode waveguide, only one cone of scattered radiation is observed. The expression for the relative power losses of the water-based mode for dispersion on the roughness of the test surface allows determining the statistical characteristics of the rough surface from the measured energy spectrum.

Недостатком известного способа  вл етс  низка  точность определени  и недостаточна  информативность. Наиболее близким к изобретению по технической сущности  вл етс  устройство дл  определени  параметров шероховатости поверхности , содержащее источник и приемник излучени , контролируемую поверхность с устанавливаемым на нее через две диэлектрические пленки оптическим элементом св зи, приемный блок дл  фотометрирова- ни  рассе нного излучени , приемный блок дл  измерени  зеркальной составл ющей отраженного излучени , блок сравнени  и блок регистрации. Диэлектрические пленки на контролируемой поверхности выполн ют функции соответственно несущего сло  и сло  св зи. По кривой на ленте блока регистрации суд т о структуре шероховатости контролируемой поверхности.The disadvantage of this method is the low accuracy of the determination and the lack of information content. The closest to the invention in its technical essence is a device for determining surface roughness parameters, containing a source and a radiation receiver, a controlled surface with an optical communication element installed through it through two dielectric films, a receiving unit for photometry of scattered radiation, a receiving unit for measurements of the specular component of the reflected radiation, the comparator unit and the recording unit. The dielectric films on the monitored surface perform the functions of a carrier layer and a bond layer, respectively. The curve on the tape of the registration unit judges the structure of the surface roughness under test.

Недостатком известного устройства  вл етс  низка  точность определени  и недостаточна  информативность.A disadvantage of the known device is the low definition accuracy and the lack of information content.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности определени  и расширение информативности за счет использовани  многомодового волновода, регистрации углового распределени  интенсивности рассе нного излучени , а также за счет определени  параметров шероховатости: пространственного периода, амплитуды гармонических составл ющих и средне- квадратичного отклонени  поверхности от плоскости.The aim of the invention is to improve the accuracy of determining and expanding the information content by using a multimode waveguide, registering the angular distribution of the intensity of scattered radiation, as well as by determining the roughness parameters: the spatial period, the amplitude of the harmonic components and the mean-square deviation of the surface from the plane.

На фиг.1 изображена принципиальна  схема устройства дл  определени  параметров шероховатости поверхности; на фиг.2 - то же, вид сверху.FIG. 1 is a schematic diagram of a device for determining surface roughness parameters; FIG. figure 2 is the same, top view.

Устройство содержит источник 1 излучени , пол ризатор 2, фокусирующую систему 3, первый оптический элемент 4 св зи (призма), диэлектрический слой 5, второй оптический элемент 6 св зи, выполненный в виде плоского полукруга радиуса RL третий оптический элемент 7 св зи, выполнен- ный в виде полусферы с плоским основанием радиуса R2 первый слой 8 иммерсии , второй слой 9 иммерсии, первый приемник 10 излучени , второй приемник 11 излучени , переключатель 12 (коммутатор сигналов приемников 10 и 11 излучени , дифференциальный усилитель 13 сигналов приемников 10 и 11 излучени , логарифмический усилитель 14 сигналов приемниковThe device contains a radiation source 1, a polarizer 2, a focusing system 3, a first optical communication element 4 (prism), a dielectric layer 5, a second optical communication element 6, made in the form of a flat semicircle of radius RL, the third optical communication element 7, - a hemisphere with a flat base of radius R2 of the first immersion layer 8, the second immersion layer 9, the first radiation receiver 10, the second radiation receiver 11, the switch 12 (the signal switch of the radiation receivers 10 and 11, the differential amplifier 13 of the receiver signals 10 and 11 radiation, logarithm amplifier 14 receiver signals

10 и 11 излучени , блок 15 регистрации, переключатель 16 (коммутатор), обеспечивающий подключение к блоку 15 усилителей 13 или 14, осциллограф 17, диафрагму 18, экран 19. Элемент 6 св зи имеет радиус RI10 and 11 radiation, registration unit 15, switch 16 (switch) providing connection to amplifier 15 unit 13 or 14, oscilloscope 17, diaphragm 18, screen 19. Communication element 6 has radius RI

0 такой, что 2Ri S L, где L - длина контролируемого образца, обозначенного индексом 20. Элемент 7 имеет радиус Ra такой, что 2R2 D, где D - ширина контролируемо образца 20. Индексом 21 обозначена конт5 ролируема  поверхность. Диэлектрический слой 5 и контролируемый образец 20 образуют многомодовый планарный волновод (ПВ) 22. XYZ - трехмерна  декартова система координат. Плоскость YZ совпадает с плоскостью контролируемой поверхности0 such that 2Ri S L, where L is the length of the test specimen, denoted by the index 20. Element 7 has a radius Ra such that 2R2 D, where D is the width of the controlled specimen 20. The index 21 denotes the control surface. The dielectric layer 5 and the test sample 20 form a multimode planar waveguide (PV) 22. XYZ is a three-dimensional Cartesian coordinate system. The YZ plane coincides with the plane of the test surface.

0 21. Плоскость XZ совпадает с одной из плоскостей при угле р 0, перпендикул рных, как и XZ, плоскости YZ. Дл  примера на фиг.2 показан вид сверху трех таких плоскостей дл  трех углов , tpi и р з. На фиг.20 21. The XZ plane coincides with one of the planes at an angle p 0, perpendicular, like the XZ, to the YZ plane. By way of example, FIG. 2 shows a top view of three such planes for three angles, tpi and p 3. Figure 2

5 показан вид на устройство (фиг.1) сверху, включающий элементы 4-10, 20-22 и по сн ющий взаимное расположение этих элементов . Нормаль к контролируемой поверхности обозначена символом г на5 shows a top view of the device (Fig. 1), including elements 4-10, 20-22 and explaining the relative position of these elements. The normal to the test surface is indicated by the symbol g on

0 фиг.1, а на фиг.2 - символически точкой в центре основани  элемента 7, При этом нормаль rf параллельна оси X, т.е. п||Х и может быть расположена в любой точке контролируемой поверхности 21.0 of FIG. 1, and in FIG. 2, symbolically a dot in the center of the base of the element 7, wherein the normal rf is parallel to the X axis, i.e. n || X and can be located at any point of the test surface 21.

5 Способ осуществл етс  с помощью устройства следующим образом.5 The method is carried out using the device as follows.

Излучение от источника 1 после прохождени  пол ризатора 2 и фокусировки системой 3 через элемент 4 св зи иRadiation from source 1 after passing through polarizer 2 and focusing by system 3 through element 4 of communication and

0 диэлектрический слой 5 направл етс  на контролируемую поверхность 21. Подстройкой угла наклона источника 1 к поверхности 21 по максимуму интенсивности отраженного от передней грани элемента 4 св зи излу5 чени  добиваютс  резонанса. При этом в планарном волноводе 22 возбуждаетс  вол- новодна  мода, котора  при своем распространении (зондирование поверхности) рассеиваетс  на шероховатост х контроли0 руемой поверхности 21.0, the dielectric layer 5 is directed to the controlled surface 21. By adjusting the angle of inclination of the source 1 to the surface 21 according to the maximum intensity of the radiation 4 reflected from the front face, a resonance is obtained. In this case, a waveguide mode is excited in the planar waveguide 22, which, during its propagation (surface probing), is scattered on the roughness of the monitored surface 21.

Рассе нное в плоскости контролируемой поверхности YZ излучение после вывода в воздух через второй слой 9 иммерсии с помощью оптического элемента 7 св зиThe radiation scattered in the plane of the controlled YZ surface after being output into the air through the second immersion layer 9 using the optical coupling element 7

5 регистрируетс  в виде углового распределени  интенсивности (по углу р в плоскости YZ) первым приемником 10 излучени . Излучение , рассе нное в плоскост х, перпен- ч5 is recorded as an angular intensity distribution (with respect to the angle p in the YZ plane) by the first radiation receiver 10. Radiation scattered in planes, perpendicular

дикул рных плоскости контролируемой поверхности 21 (например, в плоскост х, обозначенных ЈМ, , включа  и плоскость XZ на фиг.2), частично проходит через диэлектрический слой 5, слой 8 иммерсии и через элемент 7 выводитс  в воздух, где регистрируетс  в виде УГЛОВОГО распределени  интенсивности (по углу в в плоскости XZ) первым приемником 10 излучени . А частично проходит через контролируемый образец 20, первый слой 8 иммерсии и через элемент 6 св зи выводитс  в воздух, где также регистрируетс  в виде углового распределени  интенсивности вторым приемником 11 излучени . Второй приемник 11 излучени  регистрирует излучение подлож- ко-покровных мод рассе ни , а первый - как излучение мод внутриволноводного рассе ни , так и покровных мод рассе ни . Сигналы с приемников 10 и 11 излучени  поступают поочередно через переключа- тель 12 дл  соответствующего усилени  дифференциальным усилителем 13. Затем они поступают через переключатель 16 на блок 15 регистрации. Дл  получени  регистрируемых зависимостей в логарифмиче- ском масштабе или обеспечени  режима логарифмического усилени  сигналов используетс  логарифмический усилитель 14. Осциллограф 17 используетс  дл  визуализации процессов настройки устройства и самого процесса измерений, позвол ет их оптимизировать. Диафрагма 18 и экран 19 обеспечивают необходимые услови  измерений .the planar surfaces of the test surface 21 (for example, in the planes designated as ЈM, including the XZ plane in FIG. 2), partially passes through the dielectric layer 5, the immersion layer 8 and through the element 7 is blown into the air, where it is recorded as an ANGULAR intensity distribution (in angle in the XZ plane) by the first radiation receiver 10. And partially passes through the test sample 20, the first immersion layer 8 and through the communication element 6 is output to the air, where it is also recorded as an angular distribution of intensity by the second radiation receiver 11. The second radiation detector 11 detects the radiation of the base-case scattering modes, and the first one, both the radiation of the intra-wave scattering modes and the surface scatter mode. The signals from the radiation receivers 10 and 11 are received alternately through the switch 12 for a corresponding gain by the differential amplifier 13. Then they go through the switch 16 to the recording unit 15. To obtain logged dependencies on a logarithmic scale or to provide a logarithmic amplification mode for signals, a logarithmic amplifier 14 is used. The oscilloscope 17 is used to visualize the device tuning processes and the measurement process itself, allowing them to be optimized. The diaphragm 18 and screen 19 provide the necessary measurement conditions.

Регистраци  зависимостей-угловых рас- пределений интенсивности излучени , рассе нногонашероховатост х контролируемой поверхности, позвол ет определ ть основные параметры шероховатости: двумерную функцию спектральной плотности, среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости, амплитуды гармоничных составл ющих спектра шероховатостей поверхности и пространственные пермоды шероховатостей. Определ ют двумерную функцию спектральной плотности (ФСП) шероховатости поверхности из выражени The registration of the dependences of the angular distributions of the radiation intensity, the scattering surface roughness of the test surface, makes it possible to determine the main roughness parameters: the two-dimensional spectral density function, the root-mean-square deviation of the surface from the plane, the amplitudes of the harmonic components of the surface roughness spectrum, and the spatial permeas of roughnesses. The two-dimensional spectral density function (PSD) of the surface roughness is determined from the expression

LAP (р)/Р YZ ATE Фш(Ј, щ , (1)LAP (p) / P YZ ATE Fsh (Ј, u, (1)

где А Р(р) - регистрируема  интенсивность (мощность) рассе нного под углом излучени  в телесный угол Д0,Д в плоскости параллельной плоскости контролируемой поверхности; в,р - пол рный и азимутальный углы соответственно: Р - интенсивность (мощность) падающего излучени ; Фшwhere А Р (р) is the recorded intensity (power) of the radiation scattered at an angle to the solid angle D0, D in a plane parallel to the plane of the test surface; b, p are the polar and azimuth angles, respectively: P is the intensity (power) of the incident radiation; Flash

-двумерна  функци  спектральной плотности шероховатостей; АТе - предварительно рассчитанный коэффициент пропорциональности , завис щий от параметров ПВ, условий измерений и длины волны падающего излучени . По нормированной зависимости ФСП определ ют амплитуды гармонических Хк - составл ющих спектра шероховатостей поверхности из выражени  - two-dimensional function of the roughness spectral density; ATe is a previously calculated coefficient of proportionality, depending on the parameters of the PV, the measurement conditions and the wavelength of the incident radiation. From the normalized dependence of the PFD, the amplitudes of the harmonic XK are determined, which are the components of the surface roughness spectrum from the expression

Ак Фш(|,7)ДКуг,Ak Fsh (|, 7) DKug,

(2)(2)

где Д KYZ - определ етс  угловыми размерами апертуры приемник излучени  и определ ет разрешение по пространственным периодам шероховатостей в плоскости поверхности . Среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости определ ют интегрированием графической зависимости Фш(Ј i tj) в пределах всех углов рассе ни  в соответствующей плоскости. Пространственные периоды AYZ определ ют, зна  соответствующие параметры ПВ и характерные углы рассе ни  / соответственно .Использу выражение, характеризующее угловое распределение интенсивности в перпендикул рных к плоскости поверхности плоскост хwhere D KYZ is determined by the angular dimensions of the aperture of the radiation detector and determines the resolution by spatial periods of roughness in the surface plane. The root-mean-square deviation of the surface from the plane is determined by integrating the graphical dependence of Fs (~ i tj) within all scattering angles in the corresponding plane. The spatial periods AYZ are determined by knowing the corresponding parameters of the PV and the characteristic scattering angles /, respectively. Using an expression characterizing the angular intensity distribution in planes perpendicular to the plane of the surface

Ltp/p М9,Ltp / p M9,

z coa beJtXuScos- eyrap z coa beJtXuScos-eyrap

VV

Ии(иЫч,AI (IYCH,

чh

(У)(Y)

определ ют аналогичные параметры шероховатости , характеризующие ее в этих плоскост х . В (3) д - это относительна  разность показателей преломлени  сред, образующих ПВ, а Ј,;/- пространственные частоты ФСП.similar roughness parameters characterizing it in these planes are determined. In (3) d is the relative difference between the refractive indices of the media forming the PV, and а,; / is the spatial frequency of the PCB.

Claims (2)

Формула изобретени  1.Способ определени  параметров шероховатости поверхности издели , заключающийс  в том, что возбуждают пленарный волновод когерентным излучением, регистрируют интенсивность падающего на исследуемую поверхность излучени  и угловое распределение интенсивности рассе нного от исследуемой поверхности излучени , по ним наход т двумерную функцию спектральной плотности шероховатости, по которой определ ют параметры шероховатости: пространственный период, амплитуды гармонических составл ющих и среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности определени  и информативности, в качестве планарногоClaim 1. A method for determining the parameters of the surface roughness of an article, which consists in exciting a plenary waveguide with coherent radiation, records the intensity of the radiation incident on the test surface and the angular distribution of the radiation scattered from the test surface, find the two-dimensional function of the spectral density of the roughness, on which the roughness parameters are determined: spatial period, amplitudes of the harmonic components and the root-mean-square deviation from a plane surface, characterized in that, in order to increase the accuracy of determining the information content and, as a planar волновода используют многомодовый волновод , а регистрацию интенсивности падающего на поверхность излучени  и регистрацию углового распределени  интенсивности рассе нного от поверхности излучени  производ т дл  каждой моды волновода под соответствующими углами к исследуемой поверхности и под разными углами к плоскости падени  излучени .The waveguide uses a multimode waveguide, and the intensity of the radiation incident on the surface and the angular distribution of the radiation scattered from the surface are recorded for each waveguide mode at appropriate angles to the surface under study and at different angles to the plane of incidence of the radiation. 2.Устройство дл  определени  параметров шероховатости поверхности издели , содержащее источник и приемник излучени , диэлектрический слой, предназначенный дл  образовани  с контролируемой поверхностью, оптический элемент св зи, предназначенный дл  оптического сопр жени  через диэлектрический слой с конт02. A device for determining the parameters of the surface roughness of the product, comprising a source and a radiation receiver, a dielectric layer for forming with a controlled surface, an optical communication element intended for optical coupling through a dielectric layer with a contour 5five ролируемой поверхностью, и блоки усилени  и регистрации, отличающеес  тем, что оно снабжено вторым оптически прозрачным элементом св зи, выполненным в виде плоского полукруга и предназначенным дл  св зи через первый слой иммерсии с контролируемым изделием, третьим оптически прозрачным элементом св зи, выпол- ненным в виде полусферы и предназначенным дл  св зи через второй слой иммерсии с диэлектрическим слоем, вторым приемником излучени  и блоком обработки в виде логарифмического усилител , вход которого подключен к приемникам излучени , выход - к блоку регистрации, а пленарный волновод выполнен многомодо- вым.a rolling surface, and amplification and recording units, characterized in that it is provided with a second optically transparent communication element, made in the form of a flat semicircle and intended to communicate through the first immersion layer with a controlled article, a third optically transparent communication element made in the form of a hemisphere and intended to communicate through a second layer of immersion with a dielectric layer, a second radiation receiver and a processing unit in the form of a logarithmic amplifier, whose input is connected to the receivers The output is sent to the registration unit, and the plenary waveguide is made multi-mode. // ,, Фиг.11 ff