Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ и обоснование основополагающих принципов оптического метода измерения высотных параметров шероховатости поверхности в условиях автоматизации производства 10
1.1. Анализ известных методов оптического дистанционного измерения высотных параметров шероховатости и построенных на их основе устройств контроля 10
1. Метод зеркальной составляющей 10
2. Метод диффузной составляющей 18
3. Интерферометрический метод 23
1.2. Сопоставительный анализ технических характеристик современных оптических измерителей высотных параметров шероховатости 27
1.3. Выводы 30
Глава 2. Моделирование поведения отраженного от шероховатой поверхности оптического излучения 32
2.1. Анализ процесса отражения приближенно одномерно шероховатых поверхностей 33
2.2. Оценка коэффициента отражения одномерно шероховатых поверхностей 37
2.3. Расчетная модель коэффициента отражения приближенно одномерно шероховатой поверхности 38
2.4. Проверка адекватности модели. Рекомендации по совершенствованию оптической схемы измерителя шероховатости 44
2.5. Выводы 46
Глава 3. Разработка прибора, обеспечивающего измерение параметра шероховатости ra непосредственно в ходе технологического процесса 47
3.1. Разработка конструкционно-технологических ограничений на прибор 47
3.2. Формирование структуры прибора 48
3.3. Разработка конструкции прибора 49
3.4. Разработка алгоритмов и программных средств для микропроцессорной системы управления процедурой измерения параметра Ra шероховатой поверхности 50
1. Режимы работы прибора 50
2. Алгоритм оценки высоты микронеровностей 51
3. Алгоритм измерения коэффициента отражения 54
3.5. Оптико-конструкционный расчет 71
3.6. Узел фотоприемников 73
3.7. Клавиатура 76
3.8. Расчет параметров модулятора 78
3.9. Разработка печатной платы 79
3.10. Выводы 83
Глава 4. Результаты испытаний и эксплуатационные показатели прибора 84
4.1. Апробация прибора в заводских условиях 84
4.2. Эксплуатационные технические характеристики прибора 86
4.3. Методика поверки оптического измерителя шероховатости "СПИКА-8" 86
4.4. Конкурентные преимущества 92
4.5. Выводы 96
Заключение 97
Список литературы 100
Приложение
- Сопоставительный анализ технических характеристик современных оптических измерителей высотных параметров шероховатости
- Оценка коэффициента отражения одномерно шероховатых поверхностей
- Разработка алгоритмов и программных средств для микропроцессорной системы управления процедурой измерения параметра Ra шероховатой поверхности
- Методика поверки оптического измерителя шероховатости "СПИКА-8"
Введение к работе
Диссертация выполнена при научной консультации профессора кафедры Систем Автоматизированного Управления и Контроля (САУиК) МИЭТ, к.т.н. Никулина В.Б., профессора каф. Микроэлектроники (МЭ) д.т.н. Грушевского A.M. и доцента ИВТ РАН к.т.н. Менделеева В.Я.
Разработка современных высокотехнологичных изделий, материалов и режимов их обработки, дающих новое качество перспективным изделиям ведущих отраслей промышленности, в том числе микроэлектроники, нуждается в эффективных методах и приборах контроля основных- показателей качества изделий непосредственно в процессе их изготовления в-заводских условиях. Появление новых высоких технологий, связанных с производством изделий, не допускающих контакта с измерительным датчиком, требует использования бесконтактных дистанционных измерителей. Именно эти положения и определяют актуальность данной диссертации.
К числу наиболее объективных характеристик изделий, ориентированных на определяющие высокотехнологические показатели, следует отнести статистические характеристики шероховатости поверхности.
Шероховатость поверхности - совокупность повторяющихся неровностей малой величины (микронеровностей). Примерное отношение высоты неровностей к их шагу менее 50 [1,2].
Шероховатость поверхности определяет герметичность, коррозионную стойкость, характеристики треншги износа, теплопередающие, гидродинамические, радиационные, магнитоэлектрические и оптические свойства поверхности, а также дает возможность косвенно судить о состоянии материала и изделия в целом.
Наиболее востребованный диапазон высотных параметров шероховатости поверхности изделий, определяемый современными условиями развития высоких технологий, составляет 0.01-0.30 мкм по параметру Ra. Именно этот диапазон определяет перспективы мирового рынка измерителей шероховатости на ближайшие десятилетия.
Основные тенденции научных исследований и инженерных разработок методов и средств контроля шероховатости поверхности включают атомно-силовую микроскопию, контактную профилометрию, оптические методы микроинтерферометрии и реф-лектометрии.
Атомно-силовая микроскопия и оптическая микроинтерферометрия позволяют получать топографию поверхности в интервале высот микронеровностей от десятитысячных долей до нескольких микрометров. Приборы этого типа весьма чувствительны к вибрациям и применяются только в лабораторных условиях.
Контактные профилометры, использующие в качестве датчика иглу, ощупывающую контролируемую поверхность, применяются для контроля поверхности с шероховатостями5 от тысячных долей до сотен микрометров. Приборы этого типа чувст-вительнык вибрациям, не позволяют контролировать поверхности мягких материалов (алюминищ медь, серебро и т.д.), не могут быть применены для-дистанционных измерений. В заводских условиях эти приборы позволяют контролировать плоские участки поверхности с высотой шероховатости более 0.05 мкм. Серьезной проблемой для этих приборов является контроль труднодоступных поверхностей (узкие и глубокие канавки иканалы).
Оптические рефлектометрические методы позволяют измерять шероховатость поверхности с высотами микронеровностей от тысячных долей до нескольких микрометров. По отношению к атомно-силовой микроскопии, контактной профилометрии и оптической микроинтерферометрии, рефлектометрические методы практически не имеют ограничений на; расстояние до контролируемой поверхности и имеют низкую чувствительность к вибрациям. Простота техническойреализащтаэтого метода позволяет обеспечить малые габариты, удобство и надежность эксплуатации, возможность контроля шероховатости поверхности из мягких материалов и сложного профиля, в том числе в труднодоступных местах (узкие и глубокие канавки и каналы), интеграцию в автоматизированные технологические комплексы. Приборы этого типа имеют низкую стоимость по отношению к приборам атомно-силовой микроскопии и оптической микроинтерферометрии и по стоимости сопоставимы с самыми дешевыми контактными профилометрами.
В связи с этим разработка методов и создание приборов, позволяющих дистанционно (бесконтактно) контролировать показатели шероховатости поверхности является актуальной научной задачей, решение которой способствует повышению технологичности и конкурентоспособности изделий.
В настоящей диссертации сосредоточено внимание на разработке оптического устройства контроля шероховатости. При этом выполнен систематизированный анализ
современных методов оптического контроля шероховатости плоских и профилированных, сферических и цилиндрических поверхностей в условиях автоматизации производства и на его основе сформулированы основные проблемы и пути их решения, в обеспечение широкой номенклатуры поверхностей в электронной промьппленности за счет совершенствования оптической схемы и оптимизации алгоритма обработки оптического излучения: Проведены исследование и моделирование предлагаемого электронно-оптического метода, позволяющего автоматизировать-и повысить точность измерений высотных параметров, шероховатости; Разработаны алгоритмы и программные средства для микропроцессорной системы управления, процессом измерения высотных параметров шероховатости поверхности. Выработаны критерии конструктивного построения-прибора, обеспечивающего измерение высотных параметров.шероховатости поверхности непосредственно в ходе технологического процесса. Измеритель изготовлен и испытан в условиях реального автоматизированного производства. Проведена метрологическая аттестация прибора.
Разрабатываемый, измеритель шероховатости предназначается для дистанционного контроля шероховатости широкого диапазона измеряемых видов* поверхностей в заводских условиях. Кроме того; разрабатываемый прибор «должен позволить реализовать уникальный экспресс-метод дистанционного контроля шероховатости кремниевых пластин при их утонении и-наноструктур на уровне 0.01 мкм и менее в современных нанотехнологиях.
Потенциальными областями применения предполагаемого метода и прибора на его основе являются микроэлектроника, машиностроение, энергетика, нефтеперераба-тывающая; газовая, авиационная, автомобильная, станкостроительная и металлургическая промьппленности, оборонная промышленность, а также ремонтные предприятия станочного оборудования, железнодорожного и автомобильного транспорта. Разрабатываемый прибор может использоваться для контроля шероховатости поверхности кремниевых пластин в производстве изделий микроэлектроники, поверхности фланцев, обеспечивающих герметичность, подшипников, коллекторов, валов, поршней и цилиндров двигателей, снарядов и стволов орудий, колесных пар железнодорожного транспорта, деталей станков и различных механических агрегатов, лазерных дисков для вычислительной и аудио техники, проката и валков прокатных станов, и т.д. В частности, высота Ra неровностей поверхности трубопроводов масляных систем, зеркала цилинд-
ров ДВС, валков прокатных станов, алюминиевого проката - 0.1-0.3 мкм, колесных пар' железнодорожного транспорта - 0.05-0.2мкм, коллекторов, коленчатых валов двигателей внутреннегосгорания(ДВС), рабочей поверхности поршней ДВС, лопаток турбин, стволов орудий составляет 0.01-0.05мкм, лазерных дисков - 0.01-0.02 мкм.
В условиях автоматизированного процесса измерения1 приборная база должна отвечать следующим основным требованиям [3-5]:
дистанционность контроля (> 10мм);
форма контролируемой зоны: плоскость, цилиндр, сфера; >
оценка параметров Ra H'Rq, связанных соотношением Ra=0.8Rq [6];
диапазон измереншвпараметра Ry. 0,01 -1,0мкм;
минимальные габариты измерителя;
автономность прибора;
приемлемые погрешности измерений (5-10%);
Производительность (>= 1 измерения в секунду);
Измеритель может быть использован как в автоматизированных системах контроля, так и для индивидуального контроля сотрудниками ОТК, метрологических лабораторий и рабочими, выполняющими технологические операции, связанные с контролем шероховатости поверхности.»
С метрологической точки зрения [7] метод состоит из трех основных компонентов: прибора (реализации метода), алгоритма измерения и оценки погрешностей метода. Исходя из этого, определяются следующие положения.
Цель диссертационной работы.
Исследование оптических методов измерения высотных параметров шероховатости и разработка на их основе прибора бесконтактного контроля шероховатости широкой номенклатуры поверхностей и материалов различной природы в условиях автоматизированного производства.
Для* реализации указанной цели «диссертационной работы необходимо решить следующие задачи.
Задачи диссертационной работы. Провести систематизированный анализ методов оптического контроля шероховатости поверхности в условиях автоматизированных производств и на его основе
определить наиболее рациональный метод бесконтактного оптического контроля? шероховатости» поверхностей широкой номенклатуры изделий; включая; изделия; электронной тгоомышленности;
Провести сравнительный анализ особенностей отражения; от различных видов поверхностей отражения и разработать физическую модель поверхности и процесса отражения; учитывающей реальные условия обработки.
- Провести исследование и моделирование предлагаемого электронно-оптического
метода; позволяющего автоматизировать» и? повысить точность измерений! высот
ных параметров шероховатости.
Разработать алгоритмы и программные средства- для; микропроцессорной: системы управления? процессом измерения* высотных; параметров шероховатостишоверхно-сти;
Выработать критерии. конструктивного; построения прибора; обеспечивающего измерение: высотных.параметров?шероховатости:поверхностшнепосредственно в ходе технологического процесса;.
Изготовить,, испытать в і условиях- реального автоматизированного производства и провести метрологическую аттестацию прибора; Научная новизна работы;
Систематизированы существующие принципы оптического методаї измерения высотных параметров шероховатости поверхности. И на основе систематизации?развиты; новые принципьі оптического метода контроль высотных параметров шероховатости поверхности, обеспечивающие расширение: диапазона; измеряемых видов ; поверхностей; в микроэлектронном производстве; зад счет совершенствования оптическойсхемы и оптимизации алгоритма обработкиоптическогоизлучения; Разработанашовая математическая модель шероховатойшоверхности; с учетом коэффициента отражения приближенно одномерной шероховатой поверхности; в направлении зеркального отражения^ при нормальном падении зондирующего излучения;; '
Разработаны алгоритмы системы управления измерением высотных; параметров шероховатости на основе вновьсозданной модели;
Выявлены корреляционные зависимости; позволяющие прогнозировать взаимосвязь между параметрами шероховатости поверхности и структурными свойствами
кремниевых пластин при их утонении со сформированными активными элементами;
Практическая ценность.
Разработан прибор для контроля шероховатости поверхности, с возможностью интеграции в автоматизированный технологический процесс. Прибор сертифицирован в ГОССТАНДАРТе1 России, и утвержден как новый тип измерителей шерохо-ватости поверхности" с заводским обозначением "СПИКА-8".
Реализация оптического метода измерения высотных параметров шероховатости на основе разработанного прибора позволяет расширить диапазон измеряемых видов поверхностей на следующие:
Мягкие поверхности (алюминий, резина, и т.п.);
Поверхности с низкой шероховатостью (зеркальные);
Поверхности с низкой прочностью (утоненные структуры, Si мембраны, и т.п.);
Поверхности со сложной формой (цилиндрические, сферические, и т.п.);
Труднодоступные поверхности (внутренние канавки, и т.п.); (
Основные положения, выносимые на защиту.
Систематизированный анализ и эффективная^ реализация принципов оптического
метода измерения параметров шероховатости поверхности в условиях автоматиза
ции производства; *
Математическая модель шероховатой поверхности, с учетом коэффициента отра
жения приближенно одномерной шероховатой поверхности, в направлении зер
кального отражения при нормальном падении зондирующего излучения;
Алгоритмы и программные средства для микропроцессорной системы управления
процессом измерения высотных параметров шероховатости поверхности;
Конструкция прибора, обеспечивающего измерение высотных параметров шерохо
ватости поверхности непосредственно в ходе технологического процесса;
1 Постановлением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2004 г. №294 Госстан
дарт России переименован в Федеральное агентство по техническому регулированию и мет
рологии.
2 Сертификат RU.C.27.004.A №7944, тип измерителей шероховатости поверхности "Спика-8"
№19608-00,22.05.2000г.
Сопоставительный анализ технических характеристик современных оптических измерителей высотных параметров шероховатости
Несмотря на то, что рассеяние оптического излучения шероховатыми поверхностями исследуется давно, интерес к этой проблеме не ослабевает и в настоящее время. В частности, продолжаются исследования рассеивающих свойств шероховатых поверхностей, у которых высоты микронеровностей в одном направлении существенно отличаются от высот микронеровностей в ортогональном направлении.
Сведения об оптических измерителях шероховатости рефлектометрического типа, основанных на методе зеркальной составляющей, разрабатываемых в России и за рубежом, приведены в Таблице 1.
Все приведенные измерители не являются автономными устройствами, т.к. используют компьютер для управления процессом измерения. Это существенно ограничивает возможность их использования в технологическом процессе автоматизированного производства. Еще одним существенным недостатком указанных измерителейявляетсязави-симость результатов измерений от стабильности мощности источника.излучения и изменения параметров электронных компонентов во времени из-за их старениями флуктуации температуры окружающей среды.
Серьезной проблемой контроля шероховатости для всех указанных измерителей является отсутствие априорной информациио диаграмме рассеяния оптического излучения в плоскости перпендикулярной плоскости падения. Этадиаграмма определяется статистическими характеристиками шероховатой поверхности существенно зависящими от типа материала поверхности, условий технологического процесса и износа обрабатывающих инструментов [36]. В частности, эта диаграмма может существенно расширяться или сужаться в зависимости от указанных технологических условий. Вследствие этого, интенсивность излучения, рассеянного в зеркальном направлении, может уменьшаться или увеличиваться и тем самым вносить погрешность в результат измерения. Возможность учета этого эффекта, при контроле шероховатости, во многом определяет погрешности оценки высотных параметров шероховатости. О влиянии этого эффекта на результаты измерений интенсивности рассеянного излучения-сообщалось в работах [37,38].
В современных технологических процессах наиболее распространены поверхности, сформированные путем механической обработки в одном направлении (шлифование, точение, прокат) или фоторезистивным методом [42-44], использующим оптическую спекл-структуру, у которой интервал корреляции в одном направлении существенно отличается от интервала корреляции в ортогональном направлении. Такие поверхности, часто называемые приближенно одномерно шероховатыми поверхностями, близки по структуре шероховатости к идеализированным одномерно шероховатым поверхностям, профиль которых зависит только от одной координаты [45-48].
Это необходимо учитывать, так как данные поверхности имеют не симметричную диаграмму отражения. Обычно это полоса, либо несколько пересекающихся полос.
В. частности при нормальном падении и отражении в-зеркальном направлении интенсивность излучения (А,=0.6328 мкм), отраженного приближенно одномершмперо-ховатыми поверхностями, была почти в 30 раз меньше теоретических оценок [38]. В [37] при тех же углах.падения и отражения отношение интенсивности излучения, отраженного одномерно шероховатой поверхностью, к интенсивности излучения; отраженного приближенно одномерно шероховатой поверхностью; было около 40 при-X = 1.152 мкм. Вопрос о техническом решении указанной проблемы, остается открытым. Поэтому теоретико-экспериментальное исследование этого эффекта является- важным этапом в1 разработке конструкторских решений, позволяющих эффективно» использовать оптические измерители шероховатости в автоматизированном производстве. С точки зрения требования максимума.КПД, предъявляемого желаемой портативностью прибора, очень хорошо подходит метод на основе измерения зеркальной составляющей под острым углом к поверхности. Но этот метод будет давать различные результаты в зависимости от взаимного положения прибора и направлением обработки измеряемой поверхности. С точки зрения качества измерения потенциально оптимальным методом является метод на основе измерения диффузной составляющей отраженного потока. Однако, диффузная составляющая имеет различный профиль в зависимости от типа поверхности, методов её обработки, покрытия, возможного загрязнения; Этот метод дает посредственные результаты для поверхностей с очень низкой шероховатостью ( 0,01 мкм) и требует высокочувствительной (соответственно дорогостоящей и с более высоким уровнем шума) приемной схемы. Метод измерения зеркальной составляющей нормально падающего потока тре-бует относительно высокой мощности излучателя (низкий КПД). Тем не менее, этот метод предполагает ігоостуюконструкіщюоптическойизмерительной головки, неслабую чувствительность к несимметричной диаграмме направленности. Работа прибора" в импульсном режиме позволяет существенно повысить КПД приборам 1. Обзор известных методов измерения! шероховатости показьшает, что наиболее перспективным, для использования в,условиях автоматизированного производства являетсяметод зеркальной составляющей. 2. Установлено, что в существующих оптических измерителях, основанных на методе зеркальной составляющей; не учитывается связь диаграммы рассеяния в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, с параметрами технологического процесса. Зі Известные измерители шероховатости не являются автономными устройствами и не учитывают нестабильность мощности источника оптического излучения w технических характеристик электронных компонентов, вызванных старением и изменением температуры. 4: Сформулированы следующие направления дальнейших исследований: - провести теоретико-экспериментальные исследования связи диаграммы рассеяния в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, со статистическими характеристиками шероховатой поверхности, зависящими, от параметров технологического процесса; - выработать, критерии конструктивного построения прибора, обеспечивающего измерение высотных параметров шероховатости поверхности непосредственно в ходе технологического процесса: усовершенствовать оптическую схему измерителя, с учетом полученных теоретико-экспериментальных результатов, разработать метод и алгоритм стабилизации мощности,источника оптического излучения и компенсации изменения технических характеристик электронных компонентов влияющих на результат измерения; - разработать алгоритмы и программные средства для микропроцессорной системы управления процессом измерения высотных параметров шероховатости поверхности
Оценка коэффициента отражения одномерно шероховатых поверхностей
Как следует из соотношения (5), угловое распределение интенсивности излучения, рассеянного одномерно шероховатой поверхностью вне плоскости падения (ф = 90) при 0о = 0, описывается функцией sine (vy,Ly). Плавное распределение интенсивности излучения, рассеянного очень шероховатой поверхностью в плоскости падения, предсказывается теорией [39,40] для одномерно шероховатых поверхностей и под- тверждается экспериментально в главе 3 для приближенно одномерно шероховатых стальных образцов. На основании, отмеченных различий, и согласий в угловых распределениях интенсивности излучения, рассеянного одномерно шероховатыми и приближенно одномерно шероховатыми поверхностями, делаем предположение, что приближенно одномерно шероховатая поверхность, описываемая двумерной функцией f(x,y), состоит из 2N+1 одномерно шероховатых поверхностей (х,у), неравномерно распределенных по углам є, наклона, определяемым как углы между плоскостью падения (XOZ-плоскость) и нормалями к средним» поверхностям fic(x,y) одномерно шероховатых поверхностей «х,у): здесь і и -і - индексы одномерно шероховатых поверхностей, имеющие углы наклона, одинаковые по абсолютной величине и противоположные по знаку, df(x,y) -полный дифференциал f(x,y), ,(х) - профиль одномерно шероховатой поверхности с углом наклона є,. Заметим, что і=0 соответствует одномерно шероховатой поверхности, средняя поверхность которой лежит в плоскости =0. Будем также полагать, что одномерно шероховатые поверхности являются статистически независимыми и мощность Р0 излучения, падающего на приближенно одномерно шероховатую поверхность, равномерно распределяется между ними.
Применив соотношение (7) к каждой, одномерно шероховатой поверхности, находим, что мощность Ра излучения, рассеянного приближенно одномерно шероховатой поверхностью в дифракционньга телесный угол О, в зеркальном направлении, описывается соотношением где PS1 - мощность излучения, отраженная одномерно шероховатой? поверхно- стью с индексом і в телесный угол Q., Р, = Ро\&і\ /(2N + 1) - полная мощность излучения, отраженного абсолютно гладкой поверхностью с углом наклона є„ {рр ) коэффициент отражения одномерно шероховатой поверхности с индексом і, 91, - коэффициент Френеля гладкой поверхности с углом наклона є Рассматривая1 данное соотношение, будем полагать, что в пределах дифракционного угла 7 интенсивность излучения, рассеянного одномерно шероховатыми поверхностями, равномерно распределена в плоскости падения и описывается функцией sinc"(vy,Ly) вне плоскости падения. В этом случае величина мощности Ра должна зависеть только от распределения интенсивности излучения; рассеиваемого каждой одномерно шероховатой поверхностью вне плоскости падения, и количества одномерно шероховатых поверхностей, вносящих основной вклад в величину мощности Ра. Учитывая эти замечания, рассмотрим рассеяние излучения приближенно одномерно шероховатой поверхностью вне плоскости падения (XOZ-плоскость) при нормальном падении, первоначально полагая, что одномерно шероховатые поверхности, составляющие приближенно одномерно шероховатую поверхность, распределены равномерно по углам наклона, а затем учтем неравномерный характер распределения одномерно шероховатых поверхностей по углам наклона. На рис.14 приведены нормированные угловые распределения интенсивности Цбуп) излучения, рассеянного одномерно шероховатыми поверхностями вне плоскости падения. Приведенные распределения описываются функциями sine (Vy,,Ly), где Vy, деления интенсивностей в диапазоне углов 0 от -0.5 до 0.5, соответствующем дифракционному углу у, для одномерно шероховатой поверхности с индексом і=0 (рис. 14а) и пар одномерно шероховатых поверхностей с индексами i=k и i=-n+k (рис. 14а), i=-к и і=п-к (рис.146).
Разработка алгоритмов и программных средств для микропроцессорной системы управления процедурой измерения параметра Ra шероховатой поверхности
Оценка высоты микронеровностей, происходит на основе данных калибровки и величины зеркального коэффициента отражения рабочей поверхности. Данные-калибровки отражают связь высотных параметров1 шероховатости поверхности с характеристиками конкретного технологического процесса и материала активной поверхности. Процесс калибровки заключается;в.последовательном промере-серии калибровочных образцов с.заведомо известношшероховатостью и сопоставлении полученных коэффициентов отражения фактическим значениям шероховатости образцов. В-режиме калибровки пользователь имеет возможность создавать новые калибровочные кривые, редактировать и удалять кривые введенные ранее. Во время ввода калибровочных данных, сопоставленные точки; противоречащие линейности (пропорциональности) характеристики отвергаются. В рабочем режиме, при получении очередного измеренного коэффициента отражения, происходит выборка из таблицы калибровочных данных ближайшего большего и ближайшего меньшего значений коэффициентов. Искомая оценка получается линейной интерполяцией от выбранных точек. Прибор может хранить полный набор калибровочных данных (характеристик), под различные техпроцессы и материалы. Часть данных также может быть введена при изготовлении, и покрывать наиболее распространенные и стандартные сочетания материалов и процессов их обработки. Прибор работает следующим образом (рис.15): амплитудно-модулированное излучение от осветителя 7 (полупроводниковый светодиод типа У164Б), направляется на измеряемую поверхность по измерительному каналу через оптическую головку 10. Отраженное от контролируемой поверхности излучение по этому же каналу попадает на измерительный фотоприемник 8, осуществляющий оптимальную фильтрацию гармонического колебания на частоте модуляции излучения осветителя 7. Часть бокового излучения осветителя направляется по другому каналу оптической головки 10 на опорный фотоприемник 11. Схематично распространение потока света в оптической головке 10 представлено на рис. 19. С выхода измерительного фотоприемника 8 электрический сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6.
Процесс измерения величины отраженного сигнала начинается в тот момент времени, когда величина электрического сигнала на выходе опорного фотоприемника 11 становится равной напряжению опорного источника (ИОН) 13. Данный момент времени фиксируется срабатыванием компаратора , который дает указание микроконтроллеру 3 для запуска АЦП. По полученному значению сигнала на выходе АЦП микроконтроллер производит вычисление оценки среднего арифметического отклонения профиля шероховатости поверхности Ra шероховатой (исследуемой) поверхности. Оценка осуществляется по соответствующей калибровочной кривой, хранящейся в энергонезависимом постоянном запоминающем устройстве (ЭНПЗУ) 4 измерителя. Кроме того, микроконтроллер в процессе работы измерителя обеспечивает периодический запуск модулятора 2, формирующего амплитудно-модулированный электрический сигнал на входе осветителя 7. Измеренное значение Ra высвечивается на алфавитно-цифровом индикаторе 1, расположенном на лицевойі панели измерителя. Результат измерения на индикаторе высвечивается в две строки: на первой строке высвечивается тип материала из восьмисимволов; на второй строке - собственно результат измерения параметра шероховатости Ra в микрометрах. На этом цикл измерения заканчивается. Следующее измерение осуществляется по инициализации данного процесса путем нажатия кнопки «Изм». Временная» диаграмма модуляции мощности" излучателя имеет существенные участки, которые ограничивают производительность прибора. Это участок накачки то-ка до пересечения сигнала с опорного датчика с напряжением стабильного источника опорного напряжения (рабочая точка), и участок спада тока после процедуры-измерения. Для оптимизации процесса- измерения модуляция мощности излучателя происходит в укороченном режиме. Для проведения, серии измерений, модулятор выводится в точку пересечения сигнала с опорного датчика с напряжением стабильного источника опорного напряжения. Все дальнейшие измерения серии происходят в рабочей точке, без существенных затрат времени и энергии. Сигнал модулируется только в пределах минимальной ошибки пересечения с рабочей точкой. Процесс измерения коэффициента отражения состоит из серии 32 измерений. Для оценки среднего значения данные усредняются с наложением треугольного весового окна. Т.е., данные в начале и в конце серии имеют минимальный вклад в результирующую оценку, данные же в центре серии - максимальный. Эта простая, но эффективная процедура необходима для уменьшения краевых эффектов усреднения и.борьбы с промышленными помехами. Программа написана на ассемблере для контроллера Microchip серии ріс 14. Проект компилируется в среде Microchip MPLAB. Текст программы разбит на несколько файлов в соответствии с функциональным назначением: обслуживание клавиатуры, индикатора, энергонезависимой памяти, АЦП, код процедур умножения/деления многоразрядных чисел, перевода в BCD-формат для вывода результата, отработкшвремен-ных задержек. Исходный код программы приведен в Приложении 1. Отличительной особенностью вычислительного RISC ядра контроллеров фирмы Microchip является фиксированное время выполнения инструкций. В отличие от стандартного широко распространенного ядра.ііїіеі І51 использована Гарвардская архитектура. Это позволило получить приблизительно в, три раза большую производительность при меньшем размере кристалла и существенно меньшем» потреблении энергии от источника питания
Методика поверки оптического измерителя шероховатости "СПИКА-8"
В условиях автоматизированного процесса измерения1 приборная база должна отвечать следующим основным требованиям [3-5]: ? дистанционность контроля ( 10мм); ? форма контролируемой зоны: плоскость, цилиндр, сфера; ? оценка параметров Ra H Rq, связанных соотношением Ra=0.8Rq [6]; ? диапазон измереншвпараметра Ry. 0,01 -1,0мкм; ? минимальные габариты измерителя; ? автономность прибора; ? приемлемые погрешности измерений (5-10%); ? Производительность ( = 1 измерения в секунду); Измеритель может быть использован как в автоматизированных системах контроля, так и для индивидуального контроля сотрудниками ОТК, метрологических лабораторий и рабочими, выполняющими технологические операции, связанные с контролем шероховатости поверхности.» С метрологической точки зрения [7] метод состоит из трех основных компонентов: прибора (реализации метода), алгоритма измерения и оценки погрешностей метода. Исходя из этого, определяются следующие положения. Исследование оптических методов измерения высотных параметров шероховатости и разработка на их основе прибора бесконтактного контроля шероховатости широкой номенклатуры поверхностей и материалов различной природы в условиях автоматизированного производства. Для реализации указанной цели «диссертационной работы необходимо решить следующие задачи. Задачи диссертационной работы. Провести систематизированный анализ методов оптического контроля шероховатости поверхности в условиях автоматизированных производств и на его основе определить наиболее рациональный метод бесконтактного оптического контроля? шероховатости» поверхностей широкой номенклатуры изделий; включая; изделия; электронной тгоомышленности;
Провести сравнительный анализ особенностей отражения; от различных видов поверхностей отражения и разработать физическую модель поверхности и процесса отражения; учитывающей реальные условия обработки. - Провести исследование и моделирование предлагаемого электронно-оптического метода; позволяющего автоматизировать» и? повысить точность измерений! высот ных параметров шероховатости. Разработать алгоритмы и программные средства- для; микропроцессорной: системы управления? процессом измерения высотных; параметров шероховатостишоверхно-сти; Выработать критерии. конструктивного; построения прибора; обеспечивающего измерение: высотных.параметров?шероховатости:поверхностшнепосредственно в ходе технологического процесса;. Изготовить,, испытать в І условиях- реального автоматизированного производства и провести метрологическую аттестацию прибора; Научная новизна работы; - Систематизированы существующие принципы оптического методаї измерения высотных параметров шероховатости поверхности. И на основе систематизации?развиты; новые принципьі оптического метода контроль высотных параметров шероховатости поверхности, обеспечивающие расширение: диапазона; измеряемых видов ; поверхностей; в микроэлектронном производстве; зад счет совершенствования оптическойсхемы и оптимизации алгоритма обработкиоптическогоизлучения; Разработанашовая математическая модель шероховатойшоверхности; с учетом коэффициента отражения приближенно одномерной шероховатой поверхности; в направлении зеркального отражения при нормальном падении зондирующего излучения
Разработаны алгоритмы системы управления измерением высотных; параметров шероховатости на основе вновьсозданной модели; Выявлены корреляционные зависимости; позволяющие прогнозировать взаимосвязь между параметрами шероховатости поверхности и структурными свойствами кремниевых пластин при их утонении со сформированными активными элементами; 1. Разработан прибор для контроля шероховатости поверхности, с возможностью интеграции в автоматизированный технологический процесс. Прибор сертифицирован в ГОССТАНДАРТе1 России, и утвержден как новый тип измерителей шерохо-ватости поверхности" с заводским обозначением "СПИКА-8". 2. Реализация оптического метода измерения высотных параметров шероховатости на основе разработанного прибора позволяет расширить диапазон измеряемых видов поверхностей на следующие: - Мягкие поверхности (алюминий, резина, и т.п.); - Поверхности с низкой шероховатостью (зеркальные); - Поверхности с низкой прочностью (утоненные структуры, Si мембраны, и т.п.); - Поверхности со сложной формой (цилиндрические, сферические, и т.п.); - Труднодоступные поверхности (внутренние канавки, и т.п.); ( Систематизированный анализ и эффективная реализация принципов оптического метода измерения параметров шероховатости поверхности в условиях автоматиза ции производства; Математическая модель шероховатой поверхности, с учетом коэффициента отра жения приближенно одномерной шероховатой поверхности, в направлении зер кального отражения при нормальном падении зондирующего излучения; Алгоритмы и программные средства для микропроцессорной системы управления процессом измерения высотных параметров шероховатости поверхности; Конструкция прибора, обеспечивающего измерение высотных параметров шерохо ватости поверхности непосредственно в ходе технологического процесса;
