Лазерная зондирующая система для измерения характеристик тонкой пластины материала, имеющей апертуру, способ измерения ширины щелей в движущейся тонкой пластине материала и способ измерения характеристик тонкой пластины материала, имеющей апертуры

 

Изобретение относится к измерению размера апертур в материале. Лазерный зонд для измерения апертур в тонкой пластине материала включает лазерный луч и детектирующую систему. Лазерный луч имеет большую ось и малую ось, которые взаимно перпендикулярны. Длина большой оси значительно больше, чем длина малой оси. Размеры апертур определяются исходя из доли света лазерного луча, прошедшего через тонкую пластину материала. Ширина щели в разных местах измеряется путем идентифицирования относительно постоянного количества света, прошедшего через тонкую пластину, при перемещении тонкой пластины относительно лазерного луча. Изобретение позволяет производить более точные измерения апертур. При измерении не требуется сканирования по пластине с апертурами. Изобретение позволяет производить измерение по меньшей мере трех различных параметров апертур: ширины щели около торцов щели, ширины щели в центре щели и среднего коэффициента прохождения света. 3 с. и 19 з.п.ф-лы, 11 ил.

Это изобретение относится к измерению размера апертур в материале, имеющем периодическую структуру из аналогичных по размеру апертур. В частности, оно относится к измерению размеров апертур в теневых масках для электронно-лучевых трубок.

Теневые маски используются в трубках цветного изображения для обеспечения правильного цветового воспроизведения объектов на катодолюминесцентном экране. Один из видов теневых масок изготавливается из тонкой металлической пластины, в которой прорезаны, по существу, параллельные столбцы щелей. Щели в пределах столбца разделены связывающими горизонтальными перемычками и обычно они имеют прямоугольную форму с округлыми торцами. Примыкающие друг к другу столбцы щелей смещены относительно друг друга таким образом, что центр щели в одном столбце находится на одной прямой с центром связывающей горизонтальной перемычки соседних столбцов. Другие виды теневых масок имеют другие формы апертур, включая апертуры в виде полных столбцов, аналогичные столбцы щелей, но без связывающих горизонтальных перемычек, и круговые апертуры, расположенные в виде столбцов и рядов, выполненные в тонкой пластине материала.

Для того чтобы обеспечить совершенное качество теневой маски, разработан ряд технологий, позволяющих измерять размеры этих различных апертур. В большинстве методов размеры апертуры измеряются путем проецирования пучка света на одну сторону теневой маски и анализа прошедшего света на другой стороне маски. В известных методах использовался лазерный луч, который всегда имел в месте пересечения теневой маски круговое поперечное сечение. В некоторых методах размер этого кругового лазерного луча формируется достаточно большим, для того чтобы одновременно перекрывать несколько апертур. Поскольку лазерный луч такой большой, то для больших участков этих апертур с помощью этой системы могут быть получены только средние размеры. Лазерный луч большого диаметра не позволяет получить никакую подробную информацию о конкретных областях заданной апертуры.

В другом методе используется круговой луч, который меньше, чем самый маленький из измеряемых размеров заданной апертуры. Этот лазерный луч с маленьким диаметром движется по теневой маске в одном направлении, в то время как теневая маска перемещается в поперечном направлении. По мере того, как лазерное пятно пересекает теневую маску, световые датчики на противоположной стороне теневой маски измеряют интенсивность прошедшего света. В соответствии с этим методом для вычисления размера апертуры теневая маска делится на квадратные сегменты, причем к каждой апертуре относятся по несколько квадратных сегментов. При сканировании всей апертуры лучом маленького диаметра требуется несколько раз пересечь эту апертуру, при этом маска перемещается в поперечном направлении. После сканирования большого блока квадратных сегментов размеры каждой апертуры могут быть определены путем сравнения относительных интенсивностей для каждого квадратного сегмента. При такой системе требуется большой объем памяти для отслеживания значений интенсивности на каждом квадратном сегменте и также требуется однородное сканирование теневой маски.

Краткое содержание изобретения В настоящем изобретении предлагается лазерная зондирующая система для измерения апертур, выполненных в тонкой пластине материала. В системе для освещения участка тонкой пластины используется лазерный луч, имеющий в сечении эллипс с длинной большой осью и очень короткой малой осью. Количество света, прошедшего через тонкую пластину, указывает на размер апертур.

Настоящее изобретение хорошо подходит для измерения размеров апертур в теневых масках. Луч с эллиптической формой в сечении позволяет проводить более точные измерения по сравнению с лучами, имеющими в сечении круг большого диаметра, который перекрывает апертуру полностью, поскольку малая ось эллиптического луча перекрывает только часть апертуры в каждый момент времени. Кроме того, этот луч не требует сканирования по тонкой пластине, как в случае с маленькими круговыми лучами, поскольку большая ось эллиптического лазерного луча пересекает несколько апертур.

Эллиптическая форма подходит для измерения диаметра круговых апертур, ширины апертур в виде столбца и для выполнения, по меньшей мере, трех различных измерений щелевых апертур: ширины щели около торцов щели, ширины щели в центре щели и среднего коэффициента прохождения света.

Измерение ширины щелей около торцов щелей выполняется путем определения уровня максимальной интенсивности прошедшего света. Этот максимум наблюдается, когда эллиптический луч падает на полные щели в каждом столбце щелей в пределах большой оси луча. При максимуме никакая часть эллиптического лазерного луча не попадает на округлые торцы щели или на связывающие горизонтальные перемычки. Согласно настоящему изобретению уровень интенсивности луча сохраняется постоянным на максимуме, по существу, в течение интервала времени, пока тонкая пластина перемещается через лазерный луч. Эта постоянная величина уровня интенсивности возникает из-за того, что луч, имеющий маленький размер по малой оси, пересекает относительно большое расстояние, на протяжении которого он не "встречается" с округлыми торцами щелей. Разделив это значение постоянного уровня интенсивности на полную интенсивность и умножив результат на расстояние между центрами соседних столбцов, получают среднюю ширину освещенных щелей около их торцов.

Измерение ширины щели в центрах щелей проводится аналогично измерению ширины щелей около торцов за исключением того, что в центрах освещаются только щели во всех других столбцах. Между столбцами освещенных щелей эллиптический луч освещает также и связывающие горизонтальные перемычки. Как и в случае измерения размеров торцевых частей щелей, малая ось луча имеет настолько маленький размер, что на тонкой пластине существует область, где луч не попадает на округлые торцы ни одной щели. Поскольку тонкая пластина движется, то эта область создает уровень минимальной интенсивности с постоянной величиной прошедшего света. Разделив это значение минимального уровня на полную интенсивность падающего света и умножив результат на удвоенное расстояние между центрами соседних столбцов, получаем среднюю ширину освещенных щелей в их центрах.

Краткое описание чертежей Фигура 1 - блок-схема лазерного зонда в перспективном виде согласно настоящему изобретению.

Фигура 2 - небольшая область обычной теневой маски, иллюстрирующая полосу освещенности, создаваемую эллиптическим лазерным лучом.

Фигура 3A - кривая, представляющая интенсивность прошедшего света, при движении теневой маски с щелевыми апертурами через эллиптический лазерный луч, кривая расположена над участками теневой маски, которые создают соответствующие значения интенсивности.

Фигура 3B - кривая, представляющая интенсивность прошедшего света, при движении решетчатой теневой маски через эллиптический лазерный луч, кривая расположена над участками теневой маски, которые создают соответствующие значения интенсивности.

Фигура 3C - кривая, представляющая интенсивность прошедшего света, при движении точечной теневой маски через эллиптический лазерный луч, кривая расположена над участками теневой маски, которые создают соответствующие значения интенсивности.

Фигура 4 - вид сбоку системы эллиптического лазерного зонда.

Фигура 5 - поперечное сечение эллиптического лазерного луча 73.

Фигура 6 - вид сбоку одного из вариантов телескопа 72, расширяющего световой пучок.

Фигура 7 - вид сверху телескопа, представленного на фигуре 6, расширяющего световой пучок.

Фигура 8 - вид сбоку второго варианта телескопа 72, расширяющего световой пучок.

Фигура 9 - вид сверху телескопа, представленного на фигуре 8, расширяющего световой пучок.

Подробное описание предпочтительных вариантов На фигуре 1 показана в перспективном виде блок-схема эллиптического лазерного зонда 20 и теневой маски 22 согласно настоящему изобретению. Эллиптический лазер 24 образует несколько эллиптических лазерных лучей 26A, 26B, 26C, 26D, 26E, 26F и 26G. Эллиптические лазерные лучи 26A - 26G падают на теневую маску 22 и части этих лучей проходят через апертуры (не показаны) в теневой маске 22, формируя прошедшие лучи 28A, 28B, 28C, 28D, 28E, 28F и 28G соответственно. На практике, теневая маска 22 движется поперек направления распространения эллиптических лазерных лучей 26A - 26G. Для определенных типов теневых масок это перемещение приводит к тому, что прошедшие лучи 28A - 28G изменяются по мере того, как апертуры в теневой маске движутся через эллиптические лазерные лучи 26A - 26G соответственно.

Прошедшие лучи 28A - 28G направляются на фотоэлементы 30A, 30B, 30C, 30D, 30E, 30F и 30G с помощью цилиндрических линз 29A, 29B, 29C, 29D, 29F и 29G соответственно. Когда свет прошедших лучей 28A - 28G поглощается фотоэлементами, каждый фотоэлемент генерирует электрический ток, который коррелирует с количеством поглощенного им света.

Фотоэлементы 30A - 30G по отдельности подключены к усилителям напряжения, управляемым током, 32A, 32B, 32C, 32D, 32F и 32G соответственно. Эти усилители преобразуют ток, полученный с помощью фотоэлементов, в напряжение. Кроме того, усилитель 32H напряжения, управляемый током, подключен к фотоэлементу, размещенному в пределах лазерного луча 24. Этот фотоэлемент, который дополнительно описан ниже, поглощает свет опорного лазерного луча, который, по существу, имеет ту же интенсивность, что и каждый эллиптический лазерный луч 26A - 26G, падающий на теневую маску 22. Следовательно, ток от этого фотоэлемента является опорным током, соответствующим интенсивности каждого лазерного луча, падающего на теневую маску 22. Усилитель 32H напряжения, управляемый током, преобразует этот опорный ток в опорное напряжение.

Выходные сигналы из усилителя 32A - 32H напряжения, управляемых током, поступают на вход многопортового мультиплексора/аналого-цифрового преобразователя 34. Мультиплексор/преобразователь 34 умножает каждый аналоговый сигнал напряжения из усилителей 32A - 32H напряжения, управляемых током, в одной линии и затем преобразовывает умноженные аналоговые сигналы в последовательности двенадцатибитовых цифровых кодовых слов. В предпочтительном варианте мультиплексор/преобразовать 34 дискретизирует каждый аналоговый сигнал 12,000 раз в секунду и преобразовывает каждую такую выборку в двенадцатибитовое цифровое кодовое слово. Мультиплексор/преобразователь 34 помещает последовательности из двенадцатибитовых цифровых кодовых слов, создаваемых путем дискретизации и преобразования аналоговых сигналов, на двенадцатибитовой выходной линии, соединенной с блоком обработки данных (CPU) 36.

Последовательности из цифровых выборок формируются в группы по восемь цифровых выборок. Каждая группа из восьми выборок включает одну выборку, сформированную из сигнала опорного фотоэлемента, и по одной выборке, сформированной из сигналов других фотоэлементов 30A - 30G. Для каждой группы из восьми выборок CPU 36 компенсирует значения сигналов от фотоэлементов 30A - 30G, используя опорное значение, полученное от опорного фотоэлемента, и калибровочный коэффициент, хранящийся в CPU 36, для каждого фотоэлемента 30A - 30G. Опорное значение используется для корректировки выборок от фотоэлементов 30A - 30G при компенсации для учета флуктуации значений интенсивности лазерных лучей 26A - 26G соответственно. Вариации значения интенсивности этих падающих лучей приводит к отклонениям в значениях интенсивности прошедших лучей 28A - 28G, которые не являются результатом изменений, связанных с теневой маской. Для устранения этих нежелательных отклонений интенсивности падающих лучей отслеживаются с использованием опорных значений от опорного фотоэлемента. Затем выборки компенсируются для учета флуктуаций в значениях интенсивности падающих лучей.

Калибровочный коэффициент, добавляемый CPU 36, позволяет компенсировать различия между фотоэлементами. Калибровочный коэффициент для каждого фотоэлемента 30A - 30G определяется во время этапа калибровки, когда лазерная зондирующая система 20 перемещается относительно теневой маски 22 так, чтобы теневая маска 22 была не длиннее, чем расстояние между эллиптическими лазерными лучами 26A - 26G и фотоэлементами 30A - 30G соответственно.

Во время этапа калибровки фотоэлементы 30A - 30G генерируют калибровочные токи при освещении их эллиптическими лазерными лучами 26A - 26G, а опорный фотоэлемент генерирует опорный ток при освещении его опорным лазерным лучом. Усилители 32A - 32G напряжения, управляемые током, затем формируют калибровочное напряжение в ответ на калибровочный ток. Это калибровочное напряжение запоминается в CPU 36 и позднее сравнивается с опорным напряжением от усилителя 32H напряжения, управляемого током. На основе этих сравнений CPU 36 формирует калибровочный коэффициент для каждого фотоэлемента 30A - 30G, который подстраивает значение напряжения от каждого усилителя 32A - 32G напряжения, управляемого током, таким образом, чтобы подстроенные значения напряжения соответствовали значению опорного напряжения от усилителя 32H напряжения, управляемого током. Следовательно, калибровочный коэффициент позволяет компенсировать значения напряжения таким образом, чтобы скорректировать различия между получаемыми значениями, обусловленными не теневой маской, или учесть флуктуации интенсивности падающих лучей. Для оптимальной работы фотоэлементы должны калиброваться регулярно.

После проведения компенсации для каждой выборки CPU 36 запоминает в памяти компенсированные выборки. Затем CPU 36 использует эти хранящиеся в памяти выборки при определении характеристик некоторых апертур в теневой маске 22, которые пересекают эллиптические лазерные лучи 26A - 26G. Характеристики отдельной апертуры могут быть определены для каждой группы апертур, связанных с конкретным эллиптическим лазерным лучом 26A - 26G. Информация о характеристиках апертур передается на устройство отображения 38, которое может быть катодолюминесцентным дисплеем или устройством отображения с печатным выводом информации. Устройство отображения используется оператором для проверки качества изготовления теневой маски.

На фигуре 2 представлен вид сверху небольшого участка одного из типов теневых масок 22, на котором показано поперечное сечение падающего эллиптического лазерного луча 26A. Теневая маска 22 включает чередующиеся смещенные столбцы 44 щелей 45. В пределах каждого столбца щели разделены друг от друга связывающими поперечными перемычками 46. Смещенные столбцы 44 разделены горизонтальным шаговым расстоянием 48, которое представляет собой расстояние, измеренное от центра одного столбца до центра следующего ближайшего столбца. Каждая щель 45 в теневой маске имеет ширину щели 50 и длину щели 52, а также центр 51 и округлые торцы 53.

Эллиптический лазерный луч 26A освещает площадь на теневой маске и ориентирован большой осью 54 в направлении ширины щели 50, а малой осью 56 в направлении длины щели 52. Луч имеет распределение интенсивности по обеим осям, которое аппроксимируется распределением Гаусса. Следовательно, центр эллиптического лазерного луча 26A представляет наиболее яркую часть луча, а торцевые части по большой оси и по малой оси имеют наименьшую яркость. Большая ось 54 перекрывает шесть смещенных столбцов 44, в то время как малая ось 56 перекрывает лишь часть длины 52 щели. Кроме того, теневая маска 22 движется относительно эллиптического лазерного луча 26A в направлении малой оси 56 и щелевых длин 52. Направление перемещения теневой маски 22 показано стрелкой 40 на фигуре 2. Участок теневой маски 22, который пересек эллиптический лазерный луч 26A образует освещенную область 42 на теневой маске 22.

Несмотря на увеличенный размер на фигуре 2, малая ось 56 обычно имеет длину в 50 микрон, что значительно меньше длины связывающих горизонтальных перемычек 46. Учитывая размер малой оси 56, эллиптический лазерный луч 26A освещает только малую часть длины 52 щели в каждый момент времени. Как будет показано подробно ниже, эта малая область освещения позволяет проводить более подробный анализ ширины 50 щели. С помощью эллиптического лазерного луча 26A ширина 50 щели может быть измерена около торцов 53 и в центрах 51 щелей. Кроме того, интегрируя количество света, прошедшего через освещенную область 42, можно, как будет показано подробно ниже, определить средний коэффициент прохождения света для большого числа щелей.

Помимо этого следует добавить, что хотя на фигуре 2 показано, что оба конца большой оси 54 находятся между столбцами щелей, согласно настоящему изобретению не обязательно концы большой оси должны занимать такое положение. Эллиптический лазерный луч 26A может быть сдвинут в направлении ширины без значительного влияния этого сдвига на вышеупомянутые измерения, поскольку эллиптический лазерный луч вдоль большой оси 54 имеет распределение интенсивности, близкое к Гауссовому. Однако небольшая корректировка может потребоваться для компенсации отклонений от идеального Гауссового распределения интенсивности, если луч будет смещен.

На фигуре 3A показана кривая, соответствующая относительным значениям интенсивности прошедшего луча 28A при перемещении теневой маски 22, имеющей щелевые апертуры 45, через эллиптический лазерный луч 26A на заданное расстояние. Штриховые линии, отходящие от кривой интенсивности, соответствуют прямой, соединяющей положения центра малой оси 56 эллиптического лазерного луча 26A на теневой маске, когда были получены отдельные значения интенсивности. Большая часть 54 параллельна ширине щелей, как показано на фигуре 2.

Плоское дно 58 кривой показывает локальный минимум интенсивности прошедшего луча 28A. Плоское дно 58 имеет относительно постоянное значение в течение значительного периода времени и коррелирует по времени с прохождением эллиптическим лазерным лучом 26A через связывающие горизонтальные перемычки 46 любого столбца щелей. В это время эллиптический лазерный луч 26A проходит только через щели всех соседних столбцов щелей. Переход 60 начинается, когда эллиптический лазерный луч 26A начинает пересекать округлые торцы 53 щелей, примыкающие к связывающим горизонтальным перемычкам. Во время перехода 60 уровень интенсивности прошедшего света увеличивается по мере того, как эллиптический луч передвигается к участку с постоянной шириной вновь освещаемых щелей. Как только эллиптический лазерный луч 26A достигнет максимальной ширины на новых освещаемых щелях, интенсивность прошедшего света становится относительно постоянной на плоской вершине 62. Плоская вершина 62 коррелирует с периодом времени, когда эллиптический лазерный луч 26A проходит через полную ширину щелей в каждом из столбцов щелей. Средний уровень интенсивности сохраняется постоянным до тех пор, пока эллиптический лазерный луч 26A опять не начнет двигаться в области округлых торцов групп щелей.

Усредняя все значения, соответствующие плоскому дну 58, можно вычислить среднюю ширину всех щелей, которые эллиптический лазерный луч 26A освещал на заданном расстоянии. Для этого значение средней интенсивности плоского дна на кривой интенсивности прошедшего света делится на среднее значение интенсивности опорного луча и результат умножается на удвоенное горизонтальное шаговое расстояние 48. Такой расчет дает ширину щели в центральной части освещенных щелей.

Такой же тип вычислений может применяться для среднего уровня интенсивности прошедшего света, соответствующего плоской вершине 62 на кривой интенсивности. Однако после деления уровня интенсивности плоской вершины на среднюю интенсивность опорного луча результат умножается только на одну величину горизонтального шагового расстояния 48. При этом получается средняя ширина щели около торцов каждой из освещенных щелей.

Как и в известном методе, средний коэффициент прохождения света по всей щели может быть найден путем интегрирования интенсивности прошедшего света по времени и деления этого результата на интегрированную по этому же периоду времени интенсивность опорного луча. В результате получается обобщенная величина коэффициента прохождения света через маску. Интегрирование производится по целому числу периодов, при этом один период соответствует времени, которое требуется для пересечения эллиптическим лазерным лучом 26A длины одной щели и одной связывающей горизонтальной перемычки. За счет интегрирования по целому числу таких периодов получается стандартизованная величина коэффициента прохождения света.

В предпочтительном варианте CPU 36 вычисляет ширину щели на торцах и в центральных зонах щелей для нескольких рядов щелей, используя средние значения интенсивности на заданном расстоянии. Хотя усреднение может приводить к проблемам при определении размеров в пределах одного ряда щелей, этого достаточно для установления отклонений в размерах ширины щели. Достоинство настоящего изобретения заключается в том, что усредненные значения ширины дают конкретную информацию о средней ширине в центре и средней ширине в торце щели вместо сведений только о средней ширине щели в целом. Следовательно, настоящее изобретение позволяет детектировать сложные щелевые деформации, которые могут быть не замечены при проведении измерений с помощью менее точных средств. В частности, настоящее изобретение позволяет детектировать комбинацию, состоящую из суженного центра щели и расширенных торцевых частей щели.

Кроме того, на обычной теневой маске различные области маски имеют различные значения горизонтального шага и различную ориентацию щелей. В пределах каждой области шаговое расстояние и ориентация примерно постоянные, так что вышеописанные измерения можно выполнять на коротких расстояниях в пределах каждой области. Более того, эти отклонения в размерах теневой маски являются одной из причин для использования нескольких лазерных лучей. При использовании большого числа лучей ширина щели для различных областей теневой маски может определяться независимо от других областей. CPU 36 выполняет эти вычисления по определению ширины щели с использованием соответствующего значения горизонтального шага в каждой области, для которой проводятся вычисления ширины щели. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением могут быть измерены даже ширины щелей, образующих сложные структуры на теневой маске.

На фигуре 3B показана кривая относительных значений интенсивности прошедшего луча 28A, полученная при перемещении через эллиптический лазерный луч 26A в пределах заданного расстояния теневой маски второго типа, решеточной маски 66, у которой апертуры отличаются от апертур теневой маски 22. Штриховые линии, проведенные от кривой интенсивности, связывают конкретное значение интенсивности с областью на решеточной маске 66, в которой получено это значение. Решеточная маска 66 включает столбцы апертур 66, которые аналогичны апертурамм в теневой маске 22 за исключением связывающих горизонтальных перемычек 46 или округлых концов 53. Каждая из апертур 68 в виде столбцов имеет ширину 70 и центры, которые разделены горизонтальным шаговым расстоянием 72. Эллиптический лазерный луч 26A расположен относительно решеточной маски 66 так, что большая ось 54 пересекает несколько апертур 68 в виде столбцов в направлении ширины 70 апетур. Поскольку решеточная маска 66 не имеет связывающих горизонтальных перемычек, интенсивность прошедшего луча 28A не изменяется при перемещении маски через эллиптический лазерный луч 26A в направлении поперек ширины 70 апетур. Это постоянство интенсивности показано на фигуре 3B в виде плоской кривой интенсивности 74. Разделив значение одинакового уровня интенсивности на кривой 74 на интенсивность опорного лазерного луча и умножив результат на величину горизонтального шагового расстояния 72, CPU 36 может определить средний размер ширины 70 для участков апертур 68, которые пересекли эллиптический лазерный луч 26A. Как и в случае для теневой маски 22, для нахождения ширины апертур на других участках решеточной маски 66 может использоваться несколько эллиптических лазерных лучей.

На фигуре 3C показана кривая интенсивности прошедшего луча 28A для точечной маски 80, которая пересекает эллиптический лазерный луч 26A. Точечная маска 80 представляет третий тип теневых масок, которая включает ряды и столбцы из круговых апертур 82. Каждая апертура 82 имеет диаметр 84 и центральную зону 86. Центральные зоны каждой апертуры отделены от центральных зон других апертур горизонтальным шаговым расстоянием 88 и вертикальным шаговым расстоянием 90. В предпочтительном варианте точечная маска 80 движется через эллиптический лазерный луч 26A в направлении вертикального шагового расстояния 90 так, что вертикальное шаговое расстояние 90 параллельно малой оси 56, а горизонтальное шаговое расстояние 88 параллельно большой оси 54.

Уровни интенсивности, показанные на фигуре 3C, расположены относительно точечной маски 80 таким образом, что любое значение уровня интенсивности по вертикали связано с положением центра малой оси 54, когда был получен этот уровень интенсивности. Вертикальные штриховые линии на фигуре 3C показывают края эллиптического лазерного луча 26A в двух положениях на точечной маске 80. В одном положении эллиптический лазерный луч 26A создает максимальный уровень 92, когда его центр находится в центрах 86 рядов, образованных круговыми апертурами. В другом положении эллиптический лазерный луч 26A создает минимальный уровень интенсивности 94, когда его центр находится между центрами 86 двух ближайших рядов круговых апертур. Между максимальным и минимальным уровнями интенсивности находятся переходные участки 96.

Максимальный уровень интенсивности 92 не позволяет непосредственно измерить диаметры 84, поскольку малая ось 54 эллиптического лазерного луча 26A перекрывает большую часть отверстий, чем только линия, проходящая через центры 86. Однако максимальный уровень 92 может быть использован для вычисления диаметра, если сделать допущения о базисной форме апертур. Эти допущения, касающиеся формы апертур, могут быть частично проверены при анализе формы переходных участков 96, которые указывают на форму круговых апертур.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано в отношении трех масок - теневой маски 22, решеточной маски 60 и точечной маски 80 - специалистам в данной области техники понятно, что настоящее изобретение может использоваться для определения характеристик апертур в любой тонкой пластине с апертурами.

На фигуре 4 показана частично блок-схема, включающая эллиптический лазер 24, теневую маску 22, цилиндрические линзы 29A - 29G и фотоэлементы 30A - 30G.

Для получения эллиптических лазерных лучей 26A - 26G в эллиптическом лазере 24 используется лазер 100, генерирующий круговой лазерный луч 102. Лазер 100, предпочтительно He-Ne лазер с линейно поляризованным излучением, мощностью 1,8 мВт и с длиной волны 633 нм. Круговой луч 102 поступает в телескоп 104, расширяющий световой пучок, который расширяет круговой луч по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Несмотря на то, что на фигуре показано, что круговой лазерный луч 102, генерируемый лазером 100, прямо попадает в телескоп 104, расширяющий световой пучок, специалистам в данной области техники понятно, что лазер 100 может быть расположен в различных положениях, если для направления кругового лазерного луча 102 в телескоп 104, расширяющий световой пучок, использовать зеркала.

В предпочтительном варианте телескопическая система 104, расширяющая световой пучок, формирует луч 102, который в одном направлении в восемь раз больше размера кругового луча 102, а во взаимно перпендикулярном направлении в два раза больше размера кругового луча 102. В результате этого расширения получается эллиптический лазерный луч 106, поперечное сечение которого в увеличенном масштабе показано на фигуре 5. Эллиптический лазерный луч 106 имеет малую ось 108 и большую ось 110. В предпочтительных вариантах большая ось 110 в четыре раза больше малой оси 108. На фигуре 4 малая ось 108 соответствует направлению "от страницы", а большая ось 110 находится в плоскости фигуры.

Эллиптический лазерный луч 106 формируется телескопом 104, расширяющим световой пучок, и падает на кубический расщепитель 112 светового пучка. Кубический расщепитель 112 светового пучка отклоняет эллиптический лазерный луч 106 на угол 90 градусов, сохраняя ориентацию малой оси "от страницы". Затем эллиптический лазерный луч 106 попадает на расщепитель 114A светового пучка. Расщепитель 114A светового пучка представляет собой один из многочисленных видов расщепителей, известных в данной области техники, но предпочтительно это расщепитель, который расщепляет эллиптический лазерный луч 106 на два луча одинаковой интенсивности. Один из этих лучей после прохождения расщепителя 114A светового пучка распространяется в направлении второго расщепителя 114B светового пучка параллельно направлению падающего эллиптического лазерного луча 106. Другой луч отражается от расщепителя 114A светового пучка в направлении, перпендикулярном направлению падения эллиптического лазерного луча 106, и попадает в расщепитель 114C светового пучка. Расщепители 114B и 114C световых пучков предпочтительно идентичны с расщепителем 114A светового пучка.

Эти два луча еще раз расщепляются в расщепителях 114B и 114C световых пучков соответственно. Один выходной луч из расщепителя 114B светового пучка расщепляется с помощью расщепителя 114D светового пучка, который направляет половину луча на теневую маску 22, а половину - на опорный фотоэлемент 116. Фотоэлемент 116 генерирует ток, соответствующий интенсивности падающего луча, который подается на усилитель 32H напряжения, управляемый током, показанный на фигуре 1. Луч, падающий на фотоэлемент 116, предпочтительно имеет такую же интенсивность, что и эллиптические лазерные лучи 26A - 26G, как более подробно раскрыто это ниже. Другой выходной луч из расщепителя 114B светового пучка расщепляется с помощью расщепителя 114E светового пучка, который направляет половину луча на теневую маску 22, а половину - на зеркало 118A. Затем зеркало 118A отклоняет этот луч в направлении теневой маски 22.

Выходные лучи из расщепителя 114C светового пучка расщепляются с помощью расщепителей 114F и 114G световых пучков соответственно. Каждый из этих расщепителей направляет половину падающих лучей на теневую маску 22, а половину - на зеркала 118B и 118C соответственно. Эти зеркала отклоняют падающие на них лучи в направлении теневой маски.

Такая система расщепителей световых пучков и зеркал формирует восемь эллиптических лазерных лучей одинаковой интенсивности. За время, пока они достигают теневой маски или опорного фотоэлемента 116, каждый из этих лучей взаимодействует с тремя расщепителями световых пучков и интенсивность каждого из них соответствует приблизительно одной восьмой интенсивности эллиптического лазерного луча 106. Следовательно, луч, падающий на опорный фотоэлемент 116, имеет приблизительно такую же интенсивность, как и каждый из семи лучей, падающих на теневую маску.

Несмотря на то, что для упрощения изобретение описано с использованием восьми лазерных лучей, более предпочтительно использовать тридцать два эллиптических лазерных луча. Тридцать два луча получаются из двух отдельных эллиптических лазеров, каждый из которых формирует по шестнадцать эллиптических лазерных лучей. Два эллиптических лазерных луча из каждой группы, состоящей из шестнадцати лучей, используются в качестве опорных лучей.

Как показано на фигуре 4, расщепленные эллиптические лазерные лучи от зеркала 118A и расщепителей 114D и 114E световых пучков, зеркала 118B и расщепителей 114F и 114G световых пучков, и зеркала 118C проходит через три цилиндрические линзы 120A, 120B и 120C соответственно перед тем, как они попадут на теневую маску 22. Цилиндрические линзы 120A - 120C не влияют на размер большой оси расщепленных эллиптических лазерных лучей. Однако они приводят к тому, что малые оси расщепленных эллиптических лучей фокусируются и имеют очень маленькую длину.

Цилиндрические линзы 120A, 120B и 120C формируют эллиптические лазерные лучи 26E - 26G, 26B - 26D и 26A соответственно, которые падают на теневую маску 22. В предпочтительных вариантах у каждого из эллиптических лазерных лучей 26A - 26G отношение большой оси к малой оси равно 100 к 1, при этом длина большой оси составляет примерно 5 мм, а длина малой оси примерно 0,05 мм. Как обсуждалось выше, эта эллиптическая форма позволяет измерять ширину щелей и в центре щелей, и в торцах щелей.

Свет от эллиптических лазерных лучей 26A, 26B, 26C, 26D, 26E, 26F и 26G, который проходит через теневую маску 22, образует прошедшие лучи 28A, 28B, 28C, 28D, 28E, 28F и 28G соответственно. Цилиндрические линзы 29A, 29B, 29C и 29D и 29E, 29F и 29G расположены напротив цилиндрических линз 120C, 120B и 120A соответственно и собирают свет в прошедшие лучи 28A, 28B, 28C, 28D, 28E, 28F и 28G соответственно, которые рассеиваются при прохождении через щели в теневой маске 22 в результате дифракции. Цилиндрические линзы 29A, 29B, 29C, 29D, 29E, 29F и 29G формируют лучи 31A, 31B, 31C, 31D, 31E, 31F и 31G соответственно, которые падают на фотоэлементы 30A, 30B, 30C, 30D, 30E, 30F и 30G соответственно, описанные при пояснении фигуры 1.

Специалистам в данной области техники понятно, что теневая маска при прохождении через эллиптические лазерные лучи должна сохранять стабильность положения по вертикали. Сдвиги теневой маски по вертикали будут приводить к смещению маски из фокальной области малой оси эллиптических лазерных лучей. До и после зондирования могут применяться ролики для ограничения смещения теневой маски по вертикали при ее перемещении через лучи. Кроме того, плоскость маски должна сохранять идеальную перпендикулярность по отношению к направлению распространения эллиптических лазерных лучей или для компенсации любого отклонения плоскости маски от ее идеального положения должен использоваться компенсирующий коэффициент.

На фигурах 6 и 7 показан один из вариантов выполнения телескопа 104, расширяющего световой пучок. На фигуре 6 представлен вид сбоку, так же как и показано на фигуре 4, малая ось лучей "выходит из" страницы, а большая ось ориентирована вертикально в плоскости фигуры.

На фигурах 6 и 7 круговой лазерный луч 102 выходит из лазера 100 и попадает на ахроматические линзы 126, которые являются сферическими линзами с фокусным расстоянием 15 мм. Из-за своей сферичности ахроматические линзы 126 приводят к сужению размера луча до 20 микрометров по большой оси и по малой оси кругового лазерного луча 102 на расстоянии 15 мм от линии.

В фокальной плоскости ахроматических линз 126, примерно на расстоянии 15 мм от ахроматических линз 126, расположен узел диафрагмы 128. Узел диафрагмы 128 предпочтительно имеет круговое отверстие диаметром 40 микрометров. Узел диафрагмы 128 убирает нежелательный свет по периметру кругового лазерного луча 102. Лазерный свет после узла диафрагмы 128 расширяется приблизительно по конусу и попадает на составную цилиндрическую линзу 130, которая расположена на расстоянии 30 мм от узла диафрагмы 128. Как показано на фигуре 7, составная цилиндрическая линза 130 имеет фокусное расстояние 30 мм и поэтому коллимирует падающий на нее лазерный свет так, что луч больше не расширяется в направлении малой оси. В точке, где составная цилиндрическая линза 130 коллимирует лазерный свет, ширина луча вдоль малой оси в два раза больше, чем в круговом лазерном луче 102. Как показано на фигуре 6, составная цилиндрическая линза 130 не влияет на расходимость светового лазерного пучка в направлении большой оси.

Лазерный световой пучок продолжает расширяться в направлении большой оси до тех пор, пока он не попадает на составную цилиндрическую линзу 132, показанную на фигурах 6 и 7. Составная цилиндрическая линза 132 имеет фокусное расстояние 120 мм и расположена приблизительно в 120 мм от узла диафрагмы 128. Следовательно, как показано на фигуре 6, составная цилиндрическая линза 132 коллимирует лазерный свет таким образом, что он больше не расходится в направлении большой оси. Однако она не влияет на лазерный свет в направлении малой оси, как показано на фигуре 7. Лазерный свет продолжает коллимироваться вдоль малой оси, когда он проходит через составную цилиндрическую линзу 132.

Составная цилиндрическая линза 132 расположена так, что длина малой оси в области поперечного сечения лазерного светового пучка, выходящего из линзы, в восемь раз больше, чем длина малой оси у кругового лазерного луча 102. Поскольку длина лазерного светового пучка вдоль малой оси в два раза больше, чем у кругового лазерного луча 102, то у луча, выходящего из телескопа 104, расширяющего световой пучок, показанного на фигурах 6 и 7, отношение большой оси к малой оси составляет 4 к 1.

На фигурах 8 и 9 представлен второй вариант выполнения телескопа 104, расширяющего световой пучок. На фигуре 8 показан телескоп, расширяющий световой пучок в том же направлении, как показано на фигуре 4. На фигуре 9 показан вид сверху телескопа, расширяющего световой пучок.

На фигуре 8 показано расширение кругового лазерного луча 102 вдоль направления большой оси. Ахроматическая линза 136 с фокусным расстоянием 15 мм фокусирует свет кругового лазерного луча 102 на круговом отверстии узла диафрагмы 138, находящейся примерно на расстоянии 15 мм от линзы. Круговое отверстие имеет в диаметре примерно 40 микрометров и оно отсекает нежелательный свет по периметру пучка. Лазерный световой пучок расходится после узла диафрагмы 138 приблизительно конусообразно и падает на цилиндрическую линзу 140, расположенную в 60 мм от узла диафрагмы 138. Как показано на фигуре 8, цилиндрическая линза 140 не влияет на расходимость светового пучка вдоль большой оси. Однако цилиндрическая линза 140, которая имеет фокусное расстояние +60 мм, коллимирует лазерный световой пучок таким образом, что он больше не расходится вдоль малой оси. Эта коллимация показана на фигуре 9 и она приводит к тому, что у луча малая ось становится в четыре раза больше, чем малая ось у кругового лазерного луча 102.

После цилиндрической линзы 140 лазерный световой пучок пересекает ахроматическую линзу 142, расположенную в 120 мм от узла диафрагмы 138. Ахроматическая линза 142 является сферической линзой с фокусным расстоянием 120 мм, которая преломляет лазерный свет и вдоль большой оси, и вдоль малой оси. Точка фокуса ахроматической линзы 142 расположена так, что световой пучок, расходящийся вдоль большой оси, коллимируется и вдоль большой оси больше не происходит расхождения или схождения светового пучка. Кроме того, ахроматическая линза 142 приводит к тому, что световой пучок, который коллимируется вдоль малой оси, сходится к точке, находящейся на расстоянии 120 мм от линзы.

Приблизительно в 60 мм от ахроматической линзы 142 лазерный световой пучок падает на отрицательную (рассеивающую) цилиндрическую линзу 144. Отрицательная цилиндрическая линза 144 не влияет на световой пучок вдоль большой оси и, следовательно, световой пучок продолжает коллимироваться вдоль этой оси. Длина большой оси лазерного светового пучка, который выходит из отрицательной цилиндрической линзы 144, в восемь раз больше, чем длина большой оси кругового лазерного луча 102.

Отрицательная цилиндрическая линза 144 имеет фокусное расстояние -60 мм. Поэтому, отрицательная цилиндрическая линза 144 коллимирует лазерный световой пучок вдоль малой оси после того, как он был сужен, до такого состояния, что длина его малой оси в два раза больше, чем длина малой оси у кругового лазерного луча 102. Следовательно, отношение большой оси луча к малой оси луча, когда он выходит из отрицательной цилиндрической линзы 144, равно 4 к 1 и световой пучок коллимируется и вдоль большой оси, и вдоль малой оси.

За счет формирования эллиптического лазерного луча, у которого отношение большой оси к малой оси равно 100 к 1, настоящее изобретение предлагает средство для измерения ширины выбранных участков апертур в теневой маске без скольжения лазерным лучом по теневой маске.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления, специалистам в данной области техники понятно, что, не выходя за рамки сущности и объема изобретения, могут быть сделаны различные изменения в форме и деталях.

Формула изобретения

1. Лазерная зондирующая система для измерения характеристик тонкой пластины материала, имеющей апертуры, отличающаяся тем, что имеет по меньшей мере, один зондирующий лазерный луч, падающий на первую сторону тонкой пластины, при этом каждый зондирующий лазерный луч имеет первоначальное направление распространения, большую ось и малую ось, причем большая ось и малая ось перпендикулярны друг к другу и перпендикулярны к первоначальному направлению распространения зондирующего лазерного луча, а большая ось имеет большую длину, чем малая ось, принимающую систему, расположенную на второй стороне тонкой пластины, принимающая система формирует детекторный сигнал, представляющий количество света, прошедшего через апертуры в тонкой пластине, и средство для вычисления характеристики тонкой пластины, при этом средство для вычисления связано с принимающей системой и позволяет рассчитывать характеристику тонкой пластины исходя из детекторного сигнала, полученного с помощью принимающей системы.

2. Лазерная зондирующая система по п.1, отличающаяся тем, что апертуры имеют вид столбцов, состоящих из множества щелей, каждый столбец отделен от соседнего горизонтальным шаговым расстоянием, а каждая щель характеризуется шириной в направлении большой оси зондирующего лазерного луча и длиной в направлении малой оси зондирующего луча, щели в пределах каждого столбца отделены друг от друга участком материала.

3. Лазерная зондирующая система по п.2, отличающаяся тем, что большая ось, по меньшей мере, в два раза больше, чем расстояние между столбцами щелей, а малая ось меньше, чем половина длины одной щели.

4. Лазерная зондирующая система по п.3, отличающаяся тем, что к характеристикам, которые могут быть вычислены с помощью средства вычисления, относятся ширина щелей около торцов щелей, ширина щелей около центров щелей и средний коэффициент прохождения света для полной длины, по меньшей мере, одной щели.

5. Лазерная зондирующая система по п.4, отличающаяся тем, что тонкая пластина материала, имеющая апертуры, выполнена с возможностью перемещения относительно лазерной зондирующей системы в плоскости, перпендикулярной к первоначальному направлению распространения, по меньшей мере, одного зондирующего лазерного луча.

6. Лазерная зондирующая система по п.5, отличающаяся тем, что средство для вычисления содержит средство для идентифицирования максимальных уровней детекторного сигнала, который имеет постоянное значение в течение более, чем бесконечно малый промежуток времени, и средство для вычисления ширины щелей в торцевых участках щелей с использованием, по меньшей мере, одного значения максимального уровня детекторного сигнала.

7. Лазерная зондирующая система по п.6, отличающаяся тем, что средство для вычисления дополнительно содержит средство для определения средней величины, исходя, по меньшей мере, из одного значения максимального уровня, средство для деления средней величины на величину, представляющую количество света, падающего на тонкую пластину, в результате деления получается результирующая величина, и средство для умножения результирующей величины на величину горизонтального шагового расстояния, в результате умножения получается величина ширины щелей около торцов щелей в тонкой пластине материала.

8. Лазерная зондирующая система по п.7, отличающаяся тем, что лазерная зондирующая система дополнительно содержит множество лазерных лучей, каждый из которых идентичен зондирующему лазерному лучу и падает на отдельную область тонкой пластины материала, при этом каждый лазерный луч позволяет получать отдельный детекторный сигнал, а средство для вычисления характеристики позволяет получать отдельную величину ширины щелей около торцов щелей в тонкой пластине материала из каждого отдельного детекторного сигнала.

9. Лазерная зондирующая система по п.5, отличающаяся тем, что средство для вычисления характеристик содержит средство для идентифицирования минимальных уровней детекторного сигнала, которые имеют постоянную величину в течение более, чем бесконечно малый промежуток времени, и средство для вычисления ширины в центрах щелей с использованием величины, по меньшей мере, одного минимума детекторного сигнала.

10. Лазерная зондирующая система по п.9, отличающаяся тем, что средство для вычисления характеристик дополнительно содержит средство для определения средней величины, исходя из, по меньшей мере, одной минимальной величины, средство для деления средней величины на величину, представляющую количество света, падающего на тонкую пластину, в результате деления получается результирующая величина, и средство для умножения результирующей величины на удвоенную величину горизонтального шагового расстояния.

11. Лазерная зондирующая система по п.10, отличающаяся тем, что лазерная зондирующая система дополнительно содержит множество лазерных лучей, каждый из которых идентичен зондирующему лазерному лучу и падает на отдельную область тонкой пластины материала, при этом каждый лазерный луч позволяет получать отдельный детекторный сигнал, а средство для вычисления характеристики позволяет получать отдельную величину ширины щелей около торцов щелей в тонкой пластине материала из каждого отдельного детекторного сигнала.

12. Лазерная зондирующая система по п.5, отличающаяся тем, что средство для вычисления характеристики содержит средство для интегрирования детекторного сигнала по первому интервалу времени, в результате интегрирования получается интегральный детекторный сигнал, средство для интегрирования опорного сигнала, представляющего количество света, падающего на тонкую пластину, по первому интервалу времени, в результате интегрирования получается интегральный опорный сигнал, средство для деления интегрального детекторного сигнала на интегральный опорный сигнал для получения среднего значения коэффициента прохождения света.

13. Лазерная зондирующая система по п.1, отличающаяся тем, что зондирующий лазерный луч имеет такое пространственное распределение интенсивности вдоль длин большой оси и малой оси, что только при относительном перемещении между тонкой пластиной и зондирующим лазерным лучом в направлении малой оси значительно изменяется количество света, прошедшего через тонкую пластину.

14. Лазерная зондирующая система по п.1, отличающаяся тем, что апертуры представляют собой апертуры в виде столбцов, причем каждая апертура в виде столбца имеет, по меньшей мере, одну ширину, а каждая ширина ориентирована в направлении большей оси, по меньшей мере, одного зондирующего лазерного луча.

15. Лазерная зондирующая система по п.14, отличающаяся тем, что средство для вычисления характеристики позволяет вычислять размер ширины апертур в виде столбцов.

16. Лазерная зондирующая система по п.1, отличающаяся тем, что апертуры представляют собой круговые апертуры, каждая круговая апертура имеет диаметр.

17. Способ измерения ширины щелей в движущейся тонкой пластине материалов, которая имеет столбцы щелей с центрами, центр каждого столбца щелей отделен от центров других столбцов щелей горизонтальным шаговым расстоянием, предусматривающий проецирование стационарного светового потока на движущуюся тонкую пластину, при этом в каждый момент времени свет освещает только участок тонкой пластины, детектирование количества света, прошедшего через тонкую пластину, формирование электрического сигнала на основе детектируемого света, идентифицирование участков электрического сигнала, на которых уровень сигнала в течение интервала времени, по существу, остается постоянным, при этом каждый, по существу, постоянный участок характеризуется величиной уровня сигнала, и использование этой величины уровня сигнала, по существу, постоянных участков электрического сигнала для вычисления средней ширины выбранных областей щелей, через которые прошел свет.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что среднюю ширину около торцов щелей вычисляют путем идентифицирования, по существу, постоянных максимальных уровней электрического сигнала, каждый максимум характеризуется величиной уровня сигнала, деления этой величины уровня сигнала одного из идентифицированных максимумов на величину, представляющую полное количество света, падающего на тонкую пластину, с получением результирующего значения, и умножение этого результирующего значения на величины горизонтального шагового расстояния.

19. Способ по п.17, отличающийся тем, что ширину в центрах щелей вычисляют путем идентифицирования, по существу, постоянных минимальных уровней электрического сигнала, каждый минимум характеризуется величиной уровня сигнала, деления этой величины уровня сигнала одного из идентифицированных минимумов на величину, представляющую полное количество света, падающего на тонкую пластину, с получением результирующего значения, и умножение этого результирующего значения на удвоенную величину горизонтального шагового расстояния.

20. Способ измерения характеристик тонкой пластины материала, имеющей апертуры, предусматривающий проецирование, по меньшей мере, одного зондирующего лазерного луча на первую сторону тонкой пластины материала, при этом каждый зондирующий лазерный луч имеет первоначальное направление распространения, большую ось и малую ось, причем большая ось и малая ось перпендикулярны друг к другу и перпендикулярны к первоначальному направлению распространения зондирующего лазерного луча, а большая ось имеет большую длину, чем малая ось, детектирование количества света, прошедшего через апертуры в тонкой пластине материала, формирование детекторного сигнала на основе детектированного количества света, и вычисление на основе детекторного сигнала, по меньшей мере, одной характеристики тонкой пластины материала.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что вычисление, по меньшей мере, одной характеристики тонкой пластины материала включает идентифицирование максимумов детекторного сигнала, каждый максимум характеризуется величиной сигнала, и вычисление размера, по меньшей мере, одной апертуры, используя величину сигнала, по меньшей мере, одного из максимумов.

22. Способ по п.20, отличающийся тем, что вычисление, по меньшей мере, одной характеристики тонкой пластины материала включает идентифицирование минимумов детекторного сигнала, каждый минимум характеризуется величиной сигнала, и вычисление размера, по меньшей мере, одной апертуры, используя величину сигнала, по меньшей мере, одного из минимумов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10