Brevet FR2581177A1 — publié le 19861031

La présente invention est relative au contrôle interférométrique de la planéité de surfaces ayant jusqu' à 400 mm de diamètre. Pour ces surfaces, il est souvent nécessaire que leur exploration par le procédé'de mesure s'effectue sans contact pour éviter tout risque de dété- rioration de la surface. Ces surfaces peuvent être par exemple des miroirs plans, des disques au Si, des accumu- lateurs à plaques ou des pièces rodées planes métalliques ou céramiques. On connaît déjà des dispositifs interférométriques conçus pour le contrôle de la planéité. Dans un premier groupe de ces dispositifs (Feinwerktechnik + Messtechnik 82(1974) H. 7, p.353-354, DE-OS-2 406 184), on utilise un prisme de verre triangulaire dont la surface qui forme l'hypoténuse est une surface très plane et, de ce fait, sert de normale de planéité. La surface dont la planéité doit être contrôlée est placée à une faible distance, de i mm environ, de cette surface formant l'hypothènuse. Le faisceau de rayons monochromatique pénètre dans le prisme de verre par l'un des côtés de l'angle droit, tombe sur l'hypoténuse o il est en partie réfléchi tandis que l'autre partie traverse l'hypoténuse, est réfracté et arrive sous un angle d'incidence assez grand sur la surface à contrôler. Là, les rayons sont réfléchis plusieurs fois dans les deux sens entre la surface dont la planéité doit être controlée et la surface de référence et il en résulte la formation d'interférences de faisceaux multiples. L'un des inconvénients essentiels de ce groupe de procédés consiste en ce que la structure d'interférence produite résulte d'interférences de faisceaux multiples et que, de ce fait, l'information reçue dans l'interféro- gramme ne peut pas être interprétée d'une manière ponctuel- le, mais résulte toujours d'une intégration en surface des rayons qui interfèrent les uns avec les autres. Les possi- bilités d'erreur d'interprétation qui en résultent en ce qui concerne la structure de la surface ne peuvent être maintenues dans des limites réduites que si la distance comprise entre là surface de référence et la surface dont la planéité doit être contrôlée est très faible. Cependant, la nécessité de satisfaire à cette condition limite consi- dérablement les possibilités d'utilisation d'un pareil dispositif dans les installations techniques. Un autre inconvénient de ces procédés consiste en ce que, par suite de l'incidence oblique de la lumière sur la surface à con- trôler, la différence de hauteur à associer à l'écart d'ordre est > Dans un deuxième groupe de procédés (DE-AS 25 37 162 et DE-AS 26 36 211), on utilise des réseaux de diffraction qui sont disposés dans un plan parallèle à la surface dont la planéité doit être contrôlée. Dans ce cas, il y a interférence entre l'ordre de diffraction réfléchie immédiatement au niveau du réseau de diffraction et le rayonnement qui traverse le réseau de diffraction, se réfléchit sur la surface à contrôler, traverse de nouveau le réseau de diffraction et est de nouveau diffrac- té. L'inconvénient, dans le cas du procédé décrit par le brevet DE-AS 25 37 162 est que la nécessité de réaliser entre le plan du réseau et la surface dont la planéité doit être contrôlée une distance aussi faible de 250 mn environ exclut les applications techniques. Cet inconvénient n'existe pas dans le cas du procédé décrit par le brevet DE-AS 26 36 211, car il permet des distances plus grandes entre la surface de l'échantillon à contrôler et le plan du réseau. Cependant, lorsque la distance entre le plan du réseau et la surface de la pièce à contrôler varie, l'intensité de l'interférogramme varie suivant un battement périodique et la différence de hauteur à associer à l'écart d'ordre est de A environ pour les maxima de battement mais de environ pour les minima. Pour pouvoir interpré- 4 2581 177 ter correctement l'interférogramme, il faut fonc connaître la distance comprise entre le plan du réseau et la surface de l'échantillon à contrôler. De plus, dans le cas de ce procédé, la structure d'interférence obtenue résulte de la superposition de quatre faisceaux dont trois explorent la surface de l'échantillon à contrôler en trois points différents. Plus la distance entre la surface de l'échan- tillon et le plan du réseau est grande, plus est, dans ce cas également, le caractère d'intégration en surface de la structure d'interférence est marqué. Dans un troisième procédé, décrit par le brevet DE-AS 26 36 498, on utilise également un réseau de diffrac- tion, mais perpendiculaire à la surface dont la planéité doit être contrôlée. Une partie du faisceau lumineux mono- chromatique, cohérent et parallèle utilisé pour le contrô- le de planéité tombe directement sur le réseau de diffrac- tion dans des conditions telles que le premier ordre de diffraction se disperse normalement au plan du réseau. L'autre partie du faisceau atteint la surface à contrôler reçoit l'information de phase de la structure de la surface, est réfléchie sur le réseau de diffraction et la direc- tion du premier ordre de diffraction produit à l'arrivée sur le réseau de diffraction tombe également suivant la normale sur le réseau de diffraction. De ce fait, l'inter- férence des deux premiers ordres de diffraction a lieu dans la direction normale du réseau de diffraction. Ce dispositif élimine des inconvénients essentiels des inventions précédentes, mais, en raison de l'incidence oblique de la lumière, la différence de hauteur à associer à l'écart d'ordre est relativement faible. - Tous les procédés décrits ci-dessus et également tous les autres procédés utilisés pour le contrôle de la planéité présentent encore un autre inconvénient. Il réside dans le fait que les particularités de la structure super- ficielle de la surface de l'échantillon à contrôler se reflète dans des particularités de la structure d'interfé- rence obtenue. Cela signifie que la structure d'interféren- ce peut être linéaire, circulaire, elliptique ou de n'importe quelle autre forme et qu'en particulier l'écart d'ordre peut également varier d'un point à l'autre à l'intérieur de la structure d'interférence. Cependant, on peut considérer une structure d'interférence comme un réseau optique et l'écart d'ordre comme la constante du réseau. Dans le cas du contrôle de planéité, cela signifie que la distance de réseau varie d'un point à l'autre de la surface à contrôler. Ce fait explique pourquoi, dans tous les procédés connus, sans exception, qui ont été conçus jusqu'à présent pour le contrôle des surfaces par inter- férométrie, la méthode incrémentale, qui donne d'excellents résultats dans les techniques de mesure des longueurs et des angles, ne peut pas être utilisée puisque, dans ce cas, la condition préalable est la constance de la constante de réseau choisie. C'est la raison pour laquelle, dans les procédés connus de contrôle de la planéité, l'interférogramme qui contient l'information relative à la surface est reproduit sur des tableaux à multidiodes ou sur des dispositifs de reproduction à multidiodes et exploré ponctuellement par valeurs discrètes. Il en résulte évidemment une limitation inhérente à tous les interféromètres effectuant cette explo- ration du plan de l'interférogramme. Dès que la distance des raies dans l'interféromètre devient inférieure à la distance d'exploration, la phase mesurée devient indétermi- née avec module 2TW. Cette limitation est sensible dans le cas des mesures effectuées sur des surfaces présentant-des gradients de phase importants dans des zones étroites. On a déjà proposé, notamment pour l'exploration incrémentale de structures d'interférence variables, un interféromètre qui comprend un diaphramme situé entre le diviseur d'interféromètre et le diviseur de faisceaux et 2581177. dans lequel le faisceau est divisé, par le diaphragme monté dans le diviseur de faisceau, en faisceaux partiels sur le trajet de chacun desquels se trouve un récepteur photoélectrique. De plus, entre le diviseur d'interféro- mètre et le diviseur de faisceau, le dispositif comprend un premier diviseur de faisceau et, après lui, un deuxième diviseur de faisceau, le faisceau qui pénètre dans le deuxième diviseur de faisceau étant subidivisé en faisceaux partiels sur chacun des trajets desquels se trouve un dis- ' positif linéaire constitué par des éléments d'exploration photoélectriques intégrés, les directions des deux lignes étant perpendiculaires l'une à l'autre. Le but de l'invention est de réaliser un dispositif de contrôle de la planéité permettant d'explorer optiquement sans contact des surfaces relativement grandes tout en présen- tant une structure interférométrique simple et en offrant la possibilité d'une grande finesse des mesures de longueur de gradients de phase importants dans des zones étroites et d'une suite de points de mesure aussi serrée qu'on le veut. L'information interférométrique obtenue doit pouvoir être interprétée d'une manière strictement ponctuelle et l'erreur de mesure doit être minimale. De plus, même en cas de grande distance entre l'interféromètre et la surface de l'échantillon à contrôler, la précision et la finesse des mesures ne doivent pas être compromises. Le but de l'invention est donc la réalisation d'un dispositif interférométrique incrémental pour le con- trôle de la planéité qui permette de contrôler des surfaces ayant jusqu'à 400 mm de diamètre avec une différence de hauteur associée à l'écart d'ordre exactement égale à La distance entre la surface de l'échantillon à contrôler et l'interféromètre peut varier dans de larges limites, en tout cas au moins jusqu'à 50 mm. Le gradient maximal du profil de la surface peut être de 20 minutes ou davantage. Ce but est atteint, suivant l'invention, du fait que l'objet dont la planéité de surface doit être con- trôlée est placé sur un plateau porte-objet monté de manière à pouvoir tourner et qu'en face de la table porte- objet le dispositif comporte un dispositif de guidage précis d'un mouvement de translation sur lequel un interféromètre d'un type connu permettant l'exploration incrémentale de structures d'interférence variables est monté de telle manière que le faisceau de mesure de l'interféromètre soit perpendiculaire à la surface dont la planéité doit être contrôlée. Le dispositif de guidage situé en face du plateau porteobjet peut être également un palier rotatif. L'introduction, dans l'interféromètre destiné à l'exploration incrémentale de structures d'interférence variables, d'un diaphragme placé entre le diviseur d'interféromètre et le diviseur de faisceaux permet une exploration ponctuelle de la structure d'interférence de sorte que des modifications de la constante de réseau de la structure d'interférence pendant les opérations de mesure ne perturbent pas l'obtention des signaux de mesure incrémentaux. On obtient le même résultat lorsque les surfaces photoélectriquement actives des récepteurs photoélectriques qui explorent les signaux de mesure incrémentaux sont disposées, les unes par rapport aux autres et par rapport aux éléments diviseurs et réflec- teurs de faisceaux, de telle manière qu'elles ne sont atteintes que par des couples de faisceaux homologues. Si l'on place l'objet à contrôler comportant la surface dont la planéité doit être contrôlée sur un plateau porte-objet monté de manière à pouvoir tourner et si l'on dispose, au-dessus de ce plateau porte-objet un dispositif de guidage pour un mouvement de translation sur lequel un interféromètre destiné à l'exploration incrémentale de structures d'interférence variables est monté de telle manière que le faisceau de mesure soit dirigé perpendiculai- rement à la surface de l'échantillon à contrôler, la com- binaison de la rotation du plateau porte-objet et d'un mouvement de translation simultané de l'interféromètre depuis le centre du plateau jusqu' à son bord fait que le faisceau de mesure décrit sur la surface de l'échantillon à contrôler une spirale d'Archimède commençant au milieu et se prolongeant vers l'extérieur. Lorsque le palier rotatif du plateau tournant est réalisé de telle manière que sa rotation s'effectue sans jeu et sans basculement et lorsque le guidage de la translation de l'interféromè- tre satisfait aux mêmes conditions, la combinaison du mouvement de transition de l'interféromètre et du mouvement de rotation du plateau porte-objet réalise, au-dessus de la surface dont la planéité doit être contrôlée, un plan qui remplit la fonction de surface de référence plane. En réglant l'une par rapport à l'autre la vitesse angulaire du plateau porte-objet et la vitesse linéaire de l'inter- féromètre, on peut explorer la surface de l'échantillon à contrôler au besoin sur toute sa surface sans lacunes et au sens mécanique d'une manière exactement ponctuelle et avec un faisceau de mesure exactement dirigé perpendicu- lairement à la surface de l'échantillon à contrôler. De ce fait, les conditions préalables relatives aux techniques de mesure pour un contrôle de planéité sont strictement remplies. L'invention est décrite ci-dessous d'une manière plus détaillée au moyen de;deux exemples de réalisation en se référant au dessin. La fig. 1 représente un dispositif interféromé- trique incrémental pour contrôles de planéité dans lequel l'interféromètre est guidé pour un mouvement de transla- tion. La fig. 2 représente un dispositif interféromé- trique incrémental pour contrôles de planéité dans lequel l'interféromètre est guidé pour un mouvement de rotation. A la fig. 1, l'objet à contrôler 5 comportant la surface 11 dont la surface doit être contrôlée est placé sur le plateau porte-objet 16. Le plateau porte-objet 16 est porté par le palier de précision 17 qui est un palier rotatif. Comme paliers de precision, on peut utiliser par exemple des paliers pneumatiques ou hydrauliques. En face du plateau porte-objets 16, le dispositif comporte le dispositif de guidage de précision 18 qui est un dispositif de guidage d'un mouvement de translation. Ce dispositif de guidage de translation 18 est de préférence pneumatique. La tige de poussée 19 guidée dans le dispositif de guidage de précision 18 est reliée à la plaque de base 6 sur la- quelle est monté l'interféromètre pour l'exploration incré- mentale de structures d'interférence variables. Le faisceau laser élargi 4 est divisé dans le diviseur d'interféromètre 1, au niveau de la couche de division 7, en un faisceau de mesure IM et un faisceau de référence IR. Le faisceau de référence IR tombe sur le miroir de référence 12 consti- tué par un miroir plan et le faisceau de mesure 1M arrive sur la surface 11 dont la planéité doit être contrôlée. Après la réflexion des deux faisceaux vient leur réunion au niveau de la couche de séparation 7, ce qui provoque la formation d'une structure d'interférence 20. Entre le premier diviseur de faisceau 30 et le diviseur de faisceau 2, le dis- positif comporte un diaphragme 3 par lequel la structure d'interférence est explorée ponctuellement. Le faisceau 13 qui traverse le diaphragme 3 est subdivisé dans le diviseur de faisceau- 2 en faisceaux partiels. 1-4 et 1-5.qui, dans ce cas, sont envoyés à des récepteurs photoélectriques non représentés. L'exploration ponctuelle de la structure d'interférence 20 par le diaphragme 3 permet d'obtenir une invariance de la détermination des signaux de mesure par rapport à n'importe quelle modification de la structure d'interférence 20 produite par un profil de surface. Les signaux optiques des faisceaux partiels 14 et 15 sont donc à chaque instant exactement en phase. Le déphasage de 90 indispensable pour le procédé incrémental s'obtient à partir des signaux optiques 14 et 15 par des moyens de polarisation optique non représentés. Ces signaux optiques sont également, quel- le que soit la forme du profil de surface, toujours dans la même position de phase à 90 . Le faisceau qui pénètre dans le premier diviseur de faisceau 30 et qui est modulé avec la structure d'inter- férence 20 est subdivisé dans le premier diviseur de faisceau 30 en faisceaux 32 et 33 et le faisceau 32 pénè- tre dans un deuxième diviseur de faisceau 34 dans lequel, au niveau de la couche de division, il est subdivisé en faisceaux 35 et 36. Le faisceau 36 tombe sur la ligne CCD 38 et le faisceau 35 tombe sur la ligne CCD 40. Les directions des dispositifs linéaires des éléments d'exploration photoélectriques sur les lignes CCD 38 et 40 sont perpen- diculaires l'une à l'autre. De ce fait, quelle que soit la structure de la surface en chaque point d'exploration, le gradient de phase effectif est exactement déterminé dans chaque cas. La fig. 2 représente un dispositif dans lequel l'interféromètre I est guidé de manière à effectuer un mouvement de rotation au-dessus de la surface 11 de l'échan- tillon à contrôler. Le tourillon de palier 21 est monté de manière à pouvoir tourner dans le palier de précision rotatif 22 et ce tourillon 21 porte, fixé sur lui, le bras 23 qui porte le laser 24 et l'interféromètre I pour l'exploration de structures d'interférence variables. La fig. 2a est une vue de dessus du dispositif représentant la surface 11 de l'échantillon à contrôler et la fig. 2b est une vue du dispositif dans la direction de la flèche A. L'interféromètre I de la fig. 2 est identique à l'inter- féromètre I de la fig. 1. Lorsque, dans les dispositifs représentés par la fig. 1 et,la fig. 2 le plateau porte-objet 16 est, avec l'objet à contrôler 5, animé d'un mouvement de rotation par un dispositif de commande particulier et que l'inter- féromètre I est déplacé, soit au moyen du dispositif de guidage de précision 18 pour mouvement de translation, soit au moyen du palier de précision rotatif 22, au-dessus de la surface 11 dont la planéité doit être contrôlée, le point d'incidence du faisceau de mesure IM décrit sur la surface 11 une spirale et, en réglant l'un par rapport à l'autre les deux mouvements on peut modifier la pente de la spirale et adapter la succession des points de mesure au but envisagé. Dans l'état de la technique, on peut réaliser des dispositifs de guidage de précision 18 et des paliers de précision 17 et 22, qui présentent une précision de guidage satisfaisant aux exigences de l'interférométrie. Il n'est pas nécessaire non plus, dans le cas envisagé, que le mouvement rectiligne produit par le mouvement du dispositif de guidage de précision 18 ou le mouvement circulaire pro- duit par la rotation du palier de précision 22 se produise rigoureusement parallèlement à la surface du plateau porte- objet 16, car un certain écart angulaire peut être -déter- miné soit par une mesure par rapport au plateau porte-objet 16 lui-même ou par rapport à une plaque à faces parallèles posée sur ce plateau et être déduit lors des autres mesures si c'était nécessaire. 1 1 REVENDICATIQNS 1. Dispositif interférométrique incrémental pour le contrôle de la planéité constitué par une source de rayonnement laser monochromatique, par un interféromètre destiné à l'exploration incrémentale de structures d'in- terférence variables et comprenant un diaphragme situé entre un diviseur d'interféromètre et un diviseur de faisceau ou des récepteurs photoélectriques dont les sur- faces photoélectriquement actives sont disposées les unes par rapport aux autres et par rapport aux éléments diviseurs et réflecteurs de faisceau de telle manière-qu'elles ne sont atteintes que par des couples de faisceaux homologues et des lignes CCD intégrées à l'interféromètre ainsi qu'un dispositif de guidage pour translation et un plateau porte-objet monté sur palier de manière à pouvoir tourner, caractérisé en ce que l'objet à contrôler (5) comportant la surface (11) dont la planéité doit être contrôlée est placée sur un plateau porte-objet (16) monté de manière à pouvoir tourner et qu'en face du plateau porte-objet (16) un dispositif de guidage de précision (18) est prévu un mouve- ment de translation sur lequel un interféromètre (I) connu -par lui-même est monté de telle manière que le faisceau de mesure (IM) de l'interféromètre (I) soit orienté perpen- diculairement à la planéité de la surface (11) à contrôler. 2. Dispositif interférométrique incrémental pour le contrôle de la planéité selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le dispositif de guidage placé en face du plateau porteobjet (16) est un palier de précision rotatif (22).