Аппаратура для измерений отклонений от плоскостности

Одной из первых отечественных установок являлась установка контроля полированных пластин УКП-2, которая представляла собой лазерный телевизионный интерферометр (рис. 7.10). Для лазера с λ = 632,8 нм цена деления интерференционного периода (белая и черная полоса) равна 0,3164 мкм. Установка УКП-2 позволяет измерять изгиб и неплоскостность пластин диаметром до 60 мм.

При бóльших отклонениях от плоскостности на экране возникает большое число полос и колец, подсчет которых является трудоемкой операцией, а иногда вообще невозможен из-за их сливания. Для увеличения «цены деления» используются так называемые призменные интерферометры. Схема широкопольного призменного интерферометра для измерения неплоскостности пластин с вакуумным присосом приведена на рис. 7.9. Интерферометр позволяет контролировать пластины диаметром до 125 мм.

Другая конструкция призменного интерферометра используется для контроля вогнутости и выпуклости поверхностей, например полупроводниковых пластин, находящихся в свободном состоянии. Схема интерферометра приведена на рис. 7.11. Прямоугольная равнобедренная призма выполняет функции формирователя наклонного освещения детали, светоделителя, совместителя интерферирующих световых лучей и держателя детали (пластины). Получаемая интерференционная картина дает информацию о форме поверхности. Глубина рельефа, соответствующего расстоянию между двумя соседними полосами.

, (7.9)

где λ — длина волны света (632,8 нм); n — показатель преломления материала, из которого сделана призма (для стекла n = 1,5); Θ — угол падения света.

Как видно из формулы (7.9), чувствительность интерферометра зависит от угла падения света на призму и может меняться в широких пределах; поэтому для λ=632,8 нм интерферометрический период может достигать нескольких десятков микрометров. В каждом эксперименте рядом с контролируемой пластиной располагается эталонный плоский образец 6 (см. рис. 7.11), по числу полос которого можно определять чувствительность, не вычисляя цену деления по формуле (7.9).

Из зарубежных интерференционных приборов для контроля отклонения от плоскостности можно отметить установку типа Tropel, модель 9000, и систему Autosort фирмы Tropel, прибор Intop фирмы Protor. Указанные приборы имеют перестраиваемую цену деления интерференционного периода 1...7 мкм. Столы имеют систему вакуумного прижима пластины диаметром до 125 мм. Система Autosort осуществляет автоматическую разбраковку пластин по параметру Δ с производитель-ностью 240 пластин в час.

В последнее время появились зарубежные и отечественные приборы, реализующие новый принцип измерения формы поверхности (рис.7. 12)

Рис. 7.11. Схема призменного интерферометра для контроля выпуклости и вогнутости пластин:

1 — лазер; 2 — коллиматор; 3 — поворотное зеркало; 4 — эталонная призма; 5 — образец; 6 — плоский образец для определения цены деления интерференционных полос

Рис. 7.12. Схема аппаратуры для контроля отклонений от плоскостности методом сканирования лазерного луча:

1 — лазер; 2, 3 — отклоняющие зеркала; 4 — вращающаяся призма; 5 — светоделительное зеркало; 6 — панорамный фотоприемник; 7 — отклоняющее зеркало; 8 — линза; 9 — образец; 10 — столик с вакуумным присосом

При изменении кривизны поверхности с координатой изменяется и положение освещаемой точки на поверхности фотоприемника. Конструкция фотоприемника и электронная схема прибора позволяют преобразовать величину фотоответа в электрический сигнал, пропорциональ-ный расстоянию от освещаемой точки до центра приемной площадки. Дальнейшее преобразование сигнала позволяет получить на экране осциллографа масштабное изображе-ние рельефа поверхности в заданном направлении.

На принципе сканирования лазерного луча работают приборы типа LSF-500 фирмы Canon и измерительная система модели 1660 фирмы Siltec. Эти установки обеспечивают измерение высоты рельефа в диапазоне 0,1...200 мкм с погрешностью ±0,1 мкм пластин диаметром до 150 мм.

Интерферометрические методы используются для контроля отклонения от плоскостности в качестве основных методов. Однако в ряде случаев их производительность является недостаточной, например, при необходимости массовой разбраковки большого числа пластин на промежуточных операциях (резка, шлифовка). Для этой цели разработана аппаратура с применением индуктивных датчиков. В установке «Экспресс-2» использован высокоточный индуктивный датчик перемещения с аналого-цифровым преобразователем в сбалансированной трехточечной схеме измерения при использовании «плавающей» базовой плоскости. В манипуляторе установки образец располагается на трех точках и прижимается сверху специальным рычагом с грузом, уравновешивающим давление индуктивного датчика. Схема установки приведена на рис. 7.13. Питание индуктивного преобразователя 1 осуществляется от генератора 2 с частотой 20 кГц. В измерительном блоке 3 находятся усилитель и демодулятор. Схема построена таким образом, что на выходе измерительного блока получается аналоговый сигнал, пропорциональный перемещению измерительного наконечника. Аналоговый сигнал индицируется на цифровом вольтметре 4 и одновременно поступает в блок компараторов 5, где с помощью датчиков уровней сортировки 6—8 устройство сигнализации 9 устанавливается в соответствии с необходимыми группами сортировки с дискретностью отсчета 0,1 мкм. Суммарная погрешность установки при сортировке пластин по изгибу в диапазоне ±100 мкм не превышает ±3%.

Рис. 7.13. Схема установки для контроля изгиба пластин «Экспресс-2»:

1 — индуктивный датчик; 2 — генератор питания датчика; 3 — усилитель и демодулятор; 4 — цифровой вольтметр; 5 — блок компараторов; 6, 7, 8 — датчики уровней сортировки неплоскостности, 9 — устройство сигнализации