定量測(cè)量區(qū)域的表面精度的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 此處的實(shí)施例涉及一種在拋光處理期間原位光學(xué)定量測(cè)量區(qū)域的表面精度的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 表面改性，尤其是拋光，是許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的必需處理。這些包括：
[0003] 魯汽車，例如，對(duì)諸如行李箱蓋及燈罩和透鏡的塑料部件的模具進(jìn)行拋光。
[0004] 魯發(fā)動(dòng)機(jī)部件，例如凸輪軸。
[0005] ?醫(yī)學(xué)植入體，例如人工髖關(guān)節(jié)的表面。
[0006] 魯光學(xué)元件，例如用于安全玻璃和接觸透鏡的注塑模具。
[0007] 這些拋光的表面在尺寸上可以是幾平方米，并且需要1微米或更小的表面精度。 目前，樣品要從拋光處理中轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室中每次在小面積上以耗時(shí)的處理測(cè)量 表面。另外，大多數(shù)拋光由手動(dòng)完成，手動(dòng)拋光者通過觀察工具/模具來確定質(zhì)量，而使用 機(jī)器人或激光器的自動(dòng)程序通常需要把工具/模具移到處理室外來被檢查。
[0008] 為了檢查表面精度，現(xiàn)有技術(shù)中已知有幾種方法。
[0009] US 6084671公開了一種用于使用高斯光束剖面的表面分析的方法和裝置。高斯光 束由透鏡系統(tǒng)成形并照射表面。反射光被表面的不規(guī)則扭曲。然后反射光束被通過一系列 空間濾波器來觀察，上述空間濾波器基本上去除原始的高斯光束形狀。用相機(jī)來記錄殘留 光束形狀不同的測(cè)量光束。這種方案要求由以高斯形狀的形式的非常特定的光束圖案照射 表面。另外，因?yàn)檠芯繀^(qū)域的邊緣比中心被更不強(qiáng)烈地照射，所以表面的照射在表面上是不 均勻的，因而表面結(jié)構(gòu)的任何統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果朝著中心偏移。
[0010] US 2005/0046870公開了一種通過以一個(gè)角度照射表面以顯示表面上的較大結(jié)構(gòu) 的陰影圖來表征表面的方法。這種方案僅描述和討論了幾何反射。其并不涉及用單色光照 射拋光的表面。另外，所述照射不被垂直地引導(dǎo)至表面。
[0011] US 2012/107971公開了一種用于化學(xué)機(jī)械拋光裝置的拋光墊組件。所述拋光墊具 有拋光表面和與所述拋光表面相反并用于附著到壓板的表面，以及形成在所述拋光墊中的 固體透光窗。所述透光窗對(duì)光的透射比所述拋光片強(qiáng)。所述透光窗具有光漫射底表面。這 種方案需要在表面上方的化學(xué)透明頂層，用來與表面反射的波產(chǎn)生干涉。這是一種測(cè)量兩 個(gè)重疊表面之間的干涉的單點(diǎn)測(cè)量裝置和技術(shù)。
[0012] US 4, 873, 434公開了一種掃描光學(xué)顯微鏡，其包括光福射源和將來自該源的福射 聚焦成為被檢查的表面上詢問光斑（interrogating spot)的工具。所述光斑在表面上的 一個(gè)點(diǎn)附近偏轉(zhuǎn)，表面形貌被通過測(cè)量在所述光斑位置從所述表面反射的輻射的幅度和/ 或相位來測(cè)量。這種技術(shù)每次測(cè)量一個(gè)光斑。每個(gè)光斑被分別處置，而不給出較大區(qū)域的 任何直接的定量分析。
[0013] US5, 917, 191公開了一種用于測(cè)量表面形貌的方法，其特征在于用激光掃描單元 進(jìn)行表面的多個(gè)掃描以及利用所述多個(gè)掃描生成表面形貌的描繪。表面形貌數(shù)據(jù)也可用于 計(jì)算由施加到半導(dǎo)體晶片的表面上的薄膜引起的壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力。這種方案的裝置在 X方向上橫跨表面掃描激光束，并且在Z方向檢測(cè)激光束的反射部分的位移。一對(duì)光檢測(cè) 器被用于將反射束在z方向的位移轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，其被數(shù)字化并被輸入微型電腦進(jìn)行分 析。表面的多個(gè)掃描優(yōu)選地通過將工件放置在一個(gè)基座上來完成，所述基座可以旋轉(zhuǎn)到多 個(gè)角度位置。這種技術(shù)是進(jìn)行逐點(diǎn)掃描來給出點(diǎn)形貌數(shù)據(jù)。其既沒有描述也沒有教導(dǎo)在大 區(qū)域上同時(shí)進(jìn)行定量分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 因此，此處的實(shí)施例的一個(gè)目的是提供一種用于在拋光處理期間進(jìn)行表面質(zhì)量的 定量測(cè)量的方法，其中，所述方法可以消除現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
[0015] 此處的實(shí)施例涉及一種用于確定表面的定量精度的方法和裝置，其中平行單色光 束被朝向樣品的表面垂直發(fā)送。然后通過同時(shí)記錄相機(jī)圖像中每個(gè)像素處的反射光的強(qiáng)度 來推導(dǎo)出定義表面形貌的定量參數(shù)，其中所述相機(jī)圖像在研究時(shí)用相機(jī)鏡頭來聚焦在表面 區(qū)域上。然后區(qū)域強(qiáng)度圖像從表面孔徑維度被傅里葉變換成散射角度維度。圖像表面參數(shù) 然后被通過強(qiáng)度傅里葉變換計(jì)算出，并被耦合到定量表面參數(shù)。
[0016] 此處的實(shí)施例描述了一種用于在拋光處理期間原位光學(xué)定量測(cè)量區(qū)域的表面精 度的方法和裝置，其中將單色平光波（monochromatic flat light wave)向預(yù)設(shè)的表面區(qū) 域引導(dǎo)，并且用聚焦在所述表面區(qū)域上的相機(jī)和透鏡系統(tǒng)來記錄反射光的圖像。所述平光 波被垂直或小于6度的角度引導(dǎo)向所述平面。另外，所述相機(jī)和透鏡系統(tǒng)可以垂直地朝向 所述表面區(qū)域或以小于6度的角度朝向所述表面來定位。進(jìn)入所述相機(jī)的反射光與所述相 機(jī)和透鏡系統(tǒng)的光軸之間的角度差可以小于6度。
[0017] 然后從所記錄的圖像來推導(dǎo)表面精度參數(shù)。所述表面精度參數(shù)可以用記錄的圖像 的傅里葉變換來確定，預(yù)先確定的傅里葉分量被擬合到表面區(qū)域的傅里葉譜，并且通過傅 里葉分量來確定表面精度參數(shù)?？梢匝刂龈道锶~變換的長伸長軸和跨過所述傅里葉變 換的短伸長軸來將這些傅里葉分量確定為：大高斯分量；所述譜的峰；作為所述峰的基礎(chǔ) 的寬高斯分量；以及中心最大值以外的分量峰。
[0018] 更多的分量可以被擬合到長軸和短軸，作為：大尚斯分量的長軸和短軸的指標(biāo)； 長軸的方向；和最大值中心以外的分量峰的方向。然后可以推導(dǎo)表面精度參數(shù)：諸如中心 峰最大值減去長軸的大高斯分量，因而定義拋光的質(zhì)量；峰附近的寬高斯分量減去大高斯 分量，其定義所述表面的光澤度；沿著長伸長軸的大高斯分量除以沿著所述短軸的大高斯 分量，定義所述表面的對(duì)稱性；所述長軸的方向，其顯示所述表面的結(jié)構(gòu)線的方向；以及中 心最大峰以外的分量峰的大小，其指示結(jié)構(gòu)線。
[0019] 所述方法和裝置以波長數(shù)而不是幾何尺寸來定義，并且不限于特定光波長，盡管 使用其作為示例。
[0020] 已經(jīng)在聚焦像素區(qū)域的直徑小于100個(gè)波長且表面觀察成像區(qū)域的直徑大于 4000個(gè)波長的情況下對(duì)所述方法和裝置進(jìn)行了驗(yàn)證和測(cè)試。并不存在理論限制而是由于目 前相機(jī)像素?cái)?shù)的限制而存在實(shí)際限制。
[0021] 此處的實(shí)施例對(duì)于在大的區(qū)域上確定表面參數(shù)尤其有用。其比較可靠，并安裝以 在處理室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。其工作距離較長，為70-800mm，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于目前使用的顯微鏡物鏡系 統(tǒng)。
[0022] 其工業(yè)用途的范圍可以從對(duì)自動(dòng)、醫(yī)療和光學(xué)工業(yè)工具、模具和產(chǎn)品的自動(dòng)拋光 的工藝路線和方法的決定，到手工拋光處理中做的客觀決定。所述裝置可以安裝到機(jī)械手 臂上、激光處理室外或者手工拋光車間的地上。所述方法包括獲得表面區(qū)域的大的部分的 單個(gè)圖像（在下面討論的情況中是4X4mm)，并且因此與單點(diǎn)測(cè)量和干涉測(cè)量儀器相比，所 述方法更快并且對(duì)震動(dòng)更不敏感?？偟谋砻鎱^(qū)域還可以按照在下面討論的情況中為2-4_ 的步幅在整個(gè)區(qū)域上通過分步來進(jìn)行測(cè)量。
[0023] 表面精度可以定義為所述表面在與光波相同的平面內(nèi)在形貌上偏離了平坦多少。
[0024] 此處的一些實(shí)施例的一些特定的優(yōu)點(diǎn)是：
[0025] ?工作距離長：可以距離目標(biāo)區(qū)域70-800mm放置；
[0026] ?大表面同時(shí)性：快速測(cè)量；
[0027] ?在大區(qū)域上的定量數(shù)據(jù)作為拋光處理的反饋。
【附圖說明】
[0028] 現(xiàn)在，將參考附圖描述作為示例的實(shí)施例，其中：
[0029] 圖1例示根據(jù)此處的實(shí)施例的裝置；
[0030] 圖2例示根據(jù)此處的實(shí)施例的系統(tǒng)的幾何形狀；
[0031] 圖3例示所述圖像的傅里葉變換的強(qiáng)度。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 圖1描述了波長λ的