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Dokumentenidentifikation DE69329346T2 01.03.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 0670997
Titel VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR DETEKTION UND DISKRIMINATION VON OBERFLÄCHENFEHLERN
Anmelder QC Optics, Inc., Burlington, Mass., US
Erfinder ALLEN, Christopher, Nicholas, Bedford, US;
BROUDE, Vladimirovich, Sergey, Newton Centre, US;
CHASE, Tobey, Eric, Nahshua, US;
MILLER, Pascal, North Chelmsford, US;
ORMSBY, Lionel, Jay, Salem, US;
ROSTAING, Bruno, Medford, US;
QUACKENBOS, Paxton, Lloyd, Newburyport, US
Vertreter Kahler, Käck & Fiener, 86899 Landsberg
DE-Aktenzeichen 69329346
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 23.11.1993
EP-Aktenzeichen 949023931
WO-Anmeldetag 23.11.1993
PCT-Aktenzeichen US9311448
WO-Veröffentlichungsnummer 9412868
WO-Veröffentlichungsdatum 09.06.1994
EP-Offenlegungsdatum 13.09.1995
EP date of grant 30.08.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2001
IPC-Hauptklasse G01N 21/88

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein optisches Verfahren und System zum eindeutigen Erkennen von Vertiefungen und Erhebungen auf einer glatten Oberfläche und zum Unterscheiden zwischen diesen, zum Ermitteln der relativen Höhe einer Erhebung oder Tiefe einer Vertiefung oberhalb und unterhalb der Oberfläche und zum Feststellen der Querausdehnung der Vertiefung oder Erhebung auf der Oberfläche.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es besteht ein signifikantes Qualitätskontrollproblem, das mit zwei Klassen von Oberflächenfehlern, die als Vertiefungen und Erhebungen bekannt sind, verbunden ist. Diese können beispielsweise auf vernickelten Aluminiumsubstraten auftreten, die bei der Herstellung von Dünnschicht-Magnetspeichermedien verwendet werden, können jedoch bezüglich irgendeiner glatten Oberfläche ein Problem darstellen.

Oberflächenvertiefungen sind lokale Mulden und Oberflächenerhebungen sind lokale Vorsprünge der Oberfläche bezüglich ihrer mittleren Höhe um den Fehler. Es gibt nur zwei Klassen von Defekten, die angetroffen werden können. Andere umfassen große und kleine Fehler mit einer anderen Morphologie, einschließlich Kratzern, übermäßiger Oberflächenrauheit, Gräben, sowie Verunreinigungen verschiedener Arten, einschließlich Schmutz, Staub, Öl, Fingerabdrücken und dergleichen. Fehler auf der Oberfläche eines festen Magnetspeichermediums können die Folge von entweder eines Aufpralls auf die Oberfläche oder einer Ablagerung eines Fremdmaterials auf der Oberfläche oder eines Wegreißens des Materials von der Oberfläche oder einer Kombination dieser Phänomene sein.

Sowohl die interessierenden Oberflächenvertiefungen als auch Oberflächenerhebungen weisen typischerweise Durchmesser zwischen einigen Mikrometern und mehreren Hundert Mikrometern und Tiefen (oder Höhen) von einigen Hundertstel bis einem Mikrometer auf. Sowohl Vertiefungen als auch Erhebungen können auf ihrer Oberfläche glatt sein oder Brüche oder Krater enthalten.

Es sind Vorrichtungen bekannt, die Defekte im allgemeinen erkennen und die zwischen Vertiefungen und Defekten, die durch Kratzer verursacht werden, und anderen Defekten, wie z. B. einer Oberflächenverunreinigung, einschließlich Schmutz oder Öl und dergleichen, unterscheiden. Es wird auf die US-Patente Nrn. 4 794 264; 4 943 734; und 4 794 265 verwiesen, die auf denselben Rechtsnachfolger wie die vorliegende Anmeldung übertragen wurden.

Das Unterscheiden zwischen einer Vertiefung und einer Erhebung, wenn ein solcher Defekt einmal erkannt ist, ist jedoch in vielen Anwendungen nützlich. Ein zum Schreiben von Informationen auf eine Magnetplatte verwendeter Magnetkopf könnte beispielsweise durch eine Erhebung beschädigt werden, wohingegen sich nur ein Informationsverlust ergeben würde, wenn der Magnetkopf über eine Vertiefung läuft. Technologische Fortschritte wurden in dem Umfang gemacht, daß der Magnetkopf in einer Höhe von nur einigen Mikroinch (0,05-0,1 Mikrometer) schnell über die Platte läuft. Daher könnte eine Erhebung, die in eine Höhe ansteigt, die höher ist als gerade einige Hundertstel Mikrometer, den Kopf stark beschädigen.

Die Anlage, die die vorstehend angeführten Patente verkörpert, würde automatisch feststellen, daß im allgemeinen ein Defekt vorhanden ist, aber die Bedienperson muß dennoch ein Mikroskop verwenden, um die Oberfläche zu untersuchen und festzustellen, ob ein einzelner Defekt eine Vertiefung oder eine Erhebung ist, und auch für eine Erhebung festzustellen, ob sie in eine Höhe ansteigt, die eine Beschädigung eines Magnetkopfs verursachen könnte. Eine solche Untersuchung ist zeitaufwendig, fehlerbehaftet und könnte aufgrund der erforderlichen Handhabung zu einer weiteren Verunreinigung führen. Überdies ist eine solche Untersuchung insofern subjektiv, daß es nicht immer leicht ersichtlich ist, ob eine gegebene Erhebung in der Höhe zu dem Punkt ansteigt, wo es zu einer Magnetkopfbeschädigung kommen könnte. Kurz gesagt, eine solche Untersuchung ist unzuverlässig.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, ein System bereitzustellen, das in der Lage ist, sowohl Oberflächenvertiefungen und -erhebungen zu erkennen als auch zwischen diesen zu unterscheiden.

Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein solches System und Verfahren zur Erkennung von und Unterscheidung zwischen Oberflächenvertiefungen und -erhebungen bereitzustellen, das die Notwendigkeit für eine Untersuchung durch einen Menschen, um entweder Oberflächenvertiefungen und -erhebungen zu erkennen oder zwischen diesen zu unterscheiden, beseitigt.

Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein solches System zur Erkennung von und Unterscheidung zwischen Oberflächenvertiefungen und -erhebungen bereitzustellen, das in der Lage ist, zu bewerten, ob ein erkannter Oberflächenvorsprung (Erhebung) in eine Höhe ansteigt, die eine über die Oberfläche geführte Vorrichtung beschädigen könnte.

Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein solches System zur Erkennung von und Unterscheidung zwischen Oberflächenvertiefungen und -erhebungen bereitzustellen, das die relative Höhe einer Erhebung oberhalb und die Tiefe einer Vertiefung unterhalb der Oberfläche mißt; und auch die Querausdehnung von beiden dieser Fehler auf der Oberfläche mißt.

Ein Dokument, das den Stand der Technik angibt, ist US-A-4920385, das Merkmale offenbart, die denjenigen in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche entsprechen.

In einem Aspekt stellt die Erfindung ein System bereit zum Erkennen von und Unterscheiden zwischen Oberflächenfehler- Vertiefungen und -Erhebungen mit einem Mittel zum Abrastern einer Oberfläche mit einem Strahl; einem Mittel zum Abtasten der Strahlung, die von der Oberfläche im annähernd spiegelnden Bereich gestreut wird; einem Mittel zum Erkennen einer lokalen Steigung auf der Oberfläche als Reaktion auf die von der Oberfläche im annähernd spiegelnden Bereich gestreute Strahlung; und einem Mittel, das auf das Mittel zum Erkennen anspricht, zum Unterscheiden, ob der Strahl eine Vertiefung oder eine Erhebung abrastert; dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Unterscheiden einen Integrator umfaßt, der zum Integrieren eines Signals, das eine Änderung der lokalen Steigung mit der Zeit darstellt, angeordnet ist, um einen Impuls zu erzeugen, dessen jeweilige Polarität zwischen einer Vertiefung und einer Erhebung unterscheidet.

Das Mittel zum Abrastern kann eine Laserquelle und ein Mittel zum Vorsehen einer relativen Bewegung zwischen dem Laserstrahl und der Oberfläche umfassen. Das Mittel zum Vorsehen der relativen Bewegung kann ein Mittel zum Drehen der Oberfläche und zum Parallelverschieben der Oberfläche relativ zum Laserstrahl umfassen. Das Mittel zum Abrastern kann ein Mittel zum Richten eines Laserstrahls in eine zur Oberfläche senkrechte Richtung umfassen.

Das Mittel zum Erkennen kann einen ersten und einen zweiten Detektor zum Abtasten der von der Oberfläche reflektierten Strahlung umfassen, wobei jeder Detektor zum separaten Anzeigen einer Abweichung in einer Richtung vom erwarteten Weg für eine nominale Oberfläche, welche eine lokale Steigung auf der Oberfläche darstellt, angeordnet und maskiert ist.

Das System kann ein Mittel, das auf das Mittel zum Erkennen anspricht, zum Messen der relativen Höhe einer Erhebung auf der Oberfläche als Reaktion auf die von der Oberfläche reflektierte Strahlung umfassen.

Das System kann ein Mittel, das auf den Integrator anspricht, zum Abschätzen der relativen Tiefe einer Vertiefung auf der Oberfläche als Reaktion auf die von der Oberfläche reflektierte Strahlung umfassen.

Das System kann ein Mittel, das auf den Integrator anspricht, zum Ermitteln der Querausdehnung einer auf der Oberfläche erkannten Vertiefung und Erhebung umfassen.

Das System kann ein Mittel zum Bezeichnen der Stelle der Vertiefung oder Erhebung auf der Oberfläche umfassen.

Das System kann ferner Vergleicher umfassen, die zwischen positiven und negativen Impulsen aus dem Integrator unterscheiden.

In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Erkennen von Vertiefungen und Erhebungen auf einer Oberfläche und zum Unterscheiden zwischen diesen bereit, welches folgendes umfaßt: Abrastern einer Oberfläche mit einem Strahl; Abtasten der auf der Oberfläche in einem annähernd spiegelnden Bereich reflektierten Strahlung; Erkennen einer lokalen Steigung auf der Oberfläche aus der von der Oberfläche im annähernd spiegelnden Bereich gestreuten Strahlung; und Unterscheiden, ob der Strahl eine Vertiefung oder eine Erhebung abrastert; gekennzeichnet durch Integrieren eines Signals, das die Änderung der lokalen Steigung mit der Zeit darstellt, um einen Impuls zu erzeugen, dessen Polarität kennzeichnet, ob ein jeweiliger Fehler eine Vertiefung oder eine Erhebung ist.

Das Verfahren kann das Vorsehen einer relativen Bewegung zwischen dem Strahl und der Oberfläche umfassen und kann das Analysieren des Signals und der Zeit, die der Strahl braucht, um die positiven und negativen Steigungen einer Vertiefung oder Erhebung auf der Oberfläche zu überqueren, umfassen, um die relative Höhe von irgendeiner erkannten Erhebung und die relative Tiefe von irgendeiner erkannten Vertiefung unterhalb der Oberfläche zu messen.

OFFENBARUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile fallen Fachleuten aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und den zugehörigen Zeichnungen ein, in welchen gilt:

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen Systems zum Erkennen von und Unterscheiden zwischen Vertiefungen und Erhebungen;

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm der Profile einer Vertiefung und einer Erhebung auf einer Oberfläche, wie z. B. einer Magnetplatte, das auch die Reflexionswege eines Beleuchtungsstrahls, der diese Fehler überquert, zeigt;

Fig. 3 ist ein Diagramm der relativen Steigungen der in Fig. 2 abgebildeten Vertiefung und Erhebung, das auch die Richtung der Ablenkung des reflektierten Strahls bezüglich des Beleuchtungsstrahls zeigt, die gemäß dieser Erfindung festgestellt wird;

Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm der Reflexionseigenschaften von nur Teilen eines Beleuchtungsstrahls, wenn der Beleuchtungsstrahl-Fußpunkt eine größere Fläche aufweist als der gemäß dieser Erfindung erkannte Fehler;

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems zum Erkennen von und Unterscheiden zwischen Oberflächenvertiefungen und -erhebungen;

Fig. 6 ist ein Bild des tatsächlichen Ausgangssignals eines erfindungsgemäßen Systems für einen Strahl, der eine Erhebung auf einer Magnetplatte überquert; und

Fig. 7 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum erfindungsgemäßen Erkennen von Vertiefungen und Erhebungen und zum Unterscheiden zwischen diesen.

Diese Erfindung kann durch ein System 1, Fig. 1, mit einem Laser 3, der einen Strahl 4 über einen Strahlenteiler 6 senkrecht zu einer Oberfläche 2 richtet, bewerkstelligt werden. Wenn an dem Punkt, wo der Strahl 4 auf die Oberfläche 2 auftrifft, kein Fehler vorhanden ist, trifft der reflektierte Strahl 7 gemäß dem Snelliusschen Gesetz ohne jegliche Abweichung von der Senkrechten 7a zur Oberfläche 2 auf das Detektorsystem 9 auf. Wenn jedoch der Strahl 4 auf die lokale Steigung einer Vertiefung oder Erhebung auftrifft, wie nachstehend mit Bezug auf Fig. 2 genauer erörtert wird, weicht der reflektierte Strahl 8 von der Senkrechten 7a zur Oberfläche 2 ab, und diese Abweichung wird vom Detektorsystem 9 erfaßt. Die Überwachungsvorrichtung 11, die auf das Detektorsystem 9 anspricht, kann Änderungen in der Abweichungsrichtung überwachen, wenn der Strahl 4 die Oberfläche 2 überquert, um eine Anzeige zu liefern, ob der Strahl 4 einen Vorsprung (Erhebung) oder eine Mulde (Vertiefung) überquert, wie nachstehend erläutert wird.

Die Erhebung 10, Fig. 2, auf der Oberfläche 5 und die Vertiefung 12 weisen verschiedene Profile auf, die verschiedene Steigungsmuster ergeben, Fig. 3. Die Erhebung 10 weist eine positive Steigung im Bereich A und eine negative Steigung im Bereich B auf. Die Vertiefung 12 weist das umgekehrte Steigungsmuster auf: zuerst negativ im Bereich A', dann positiv im Bereich B'. Folglich wird ein zur Oberfläche 5 senkrechter Beleuchtungslichtstrahl, der durch den Vektor 14 dargestellt ist, auf dem nominalen oder fehlerfreien Teil 18 der Oberfläche 5 spiegelnd reflektiert und es besteht keine merkliche Abweichung des reflektierten Strahls 16 vom Weg des Beleuchtungsstrahls 14. Obwohl der Beleuchtungsstrahl hierin als Licht bezeichnet wird, kann eine elektromagnetische Strahlung mit einer beliebigen geeigneten Wellenlänge verwendet werden. Wenn der Beleuchtungsstrahl 14' die positive Steigung der Erhebung 10 überquert, weicht jedoch der reflektierte Strahl 16' in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn zum Beleuchtungsstrahl 14' ab, bis der Scheitelpunkt der Erhebung 10 angetroffen wird, wo die Steigung von positiv zu negativ wechselt. Am Scheitelpunkt besteht wieder keine merkliche Abweichung des reflektierten Strahls bezüglich des Beleuchtungsstrahls. Entlang der negativen Steigung weicht der reflektierte Strahl 16" in einer Richtung im Uhrzeigersinn vom Beleuchtungsstrahl 14 " ab. Das Umgekehrte gilt für die Vertiefung 12: zuerst Abweichung gegen den Uhrzeigersinn im Bereich A'; Abweichung im Uhrzeigersinn im Bereich B'.

Das Ergebnis ist, daß die Richtung der Abweichung, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn, die für den reflektierten Strahl aufgetragen wird, wenn der Beleuchtungsstrahl die Erhebung 10 und Vertiefung 12 überquert, zu den Steigungsmustern für die Erhebung 10 bzw. Vertiefung 12 ähnlich ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, entsprechen Abweichungen gegen den Uhrzeigersinn einem Beleuchtungsstrahl, der über eine positive Steigung läuft; Abweichungen im Uhrzeigersinn entsprechen einem Beleuchtungsstrahl, der über eine negative Steigung läuft; eine Abweichung gegen den Uhrzeigersinn, unmittelbar gefolgt von einer Abweichung im Uhrzeigersinn, zeigt eine Erhebung an, während eine Abweichung im Uhrzeigersinn, unmittelbar gefolgt von einer Abweichung gegen den Uhrzeigersinn, eine Vertiefung anzeigt.

Wenn man den Beleuchtungsstrahl auf die Oberfläche 5 in einer Richtung auftreffen läßt, die zur Oberfläche nicht senkrecht ist, werden die jeweiligen reflektierten Strahlen dennoch gemäß dem Snelliusschen Gesetz reflektiert. Folglich kann die Abweichung des reflektierten Strahls vom erwarteten Reflexionsweg, wenn der Beleuchtungsstrahl eine nominale fehlerfreie Oberfläche überquert hat, dennoch in äquivalenter Weise überwacht werden, und die resultierenden Steigungskurven erscheinen ähnlich zu den in Fig. 3 gezeigten. Der Beleuchtungsstrahl 20, Fig. 2, wird beispielsweise in einem Winkel θ auf die nominale fehlerfreie Oberfläche 5 gerichtet. Der erwartete Rückweg ohne Fehler gemäß dem Snelliusschen Gesetz ist der reflektierte Strahl 22, ebenfalls in einem Winkel θ zur nominalen fehlerfreien Oberfläche 5. Aufgrund der Vertiefung 12 weicht jedoch der tatsächliche reflektierte Strahl 24 in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn vom erwarteten reflektierten Strahl 22 ab.

Folglich legt im allgemeinen die Abweichungsrichtung des reflektierten Strahls von dem für eine nominale Oberfläche erwarteten Weg über die Zeit, wenn der Beleuchtungsstrahl die Oberfläche überquert, fest, ob der Beleuchtungsstrahl eine Erhebung oder eine Vertiefung überquert. Eine Abweichung gegen den Uhrzeigersinn zuerst, gefolgt von einer Abweichung im Uhrzeigersinn gibt die Anwesenheit einer Erhebung an; eine Abweichung im Uhrzeigersinn zuerst, gefolgt von einer Abweichung gegen den Uhrzeigersinn gibt die Anwesenheit einer Vertiefung an. Es wird eine Annahme gemacht, daß die Geschwindigkeit der Bewegung des Beleuchtungspunkts, wenn er sich entlang der Oberfläche bewegt, gleichmäßig ist. Wie hierin verwendet, bedeutet "der reflektierte Strahl" die gesamte Strahlung in der Reflexionsrichtung innerhalb der numerischen Apertur gleich der numerischen Apertur des Beleuchtungsstrahls, und verschiedene optische Vorrichtungen können integriert sein, um den Beleuchtungsstrahl entsprechend zu fokussieren.

In einigen Fällen kann der Beleuchtungsstrahl-Fußpunkt den meisten oder sogar den gesamten Fehler, beispielsweise die Erhebung 32, Fig. 4, bedecken. Einzelne Strahlkomponenten des Strahls 34, die Strahlkomponente 36 jedoch beträchtlich, werden (wie durch die Strahlkomponente 38 gezeigt) in einem Weg reflektiert, der vom Weg 39, dem erwarteten Weg, wenn der Strahl 34 eine nominale Oberfläche ohne Anwesenheit der Erhebung 32 überquert hat, verschieden ist. Die Intensitätsverteilung über den Querschnitt des Strahls 34 ist derart, daß eine höhere Intensität auf der Achse 47 des Strahls 34 und eine niedrigere Intensität am Rand des Strahls 34 vorliegt, typischerweise eine symmetrische Gaußverteilung. Folglich ist die Gesamtintensität der gegen den Uhrzeigersinn abgelenkten Strahlkomponenten (ähnlich der Strahlkomponente 36/38 in Fig. 4) höher als die Gesamtintensität der im Uhrzeigersinn abgelenkten Strahlkomponenten (ähnlich der Strahlkomponente 41/43), solange die Achse 47 des Strahls 34 die positive Steigung der Erhebung 32 schneidet, wie in Fig. 4. Folglich gibt die Überwachungsvorrichtung 11 von Fig. 1 die Anwesenheit einer positiven Steigung korrekt an. Ebenso wenn die Achse 47 des Strahls 34 die negative Steigung der Erhebung 32 schneidet, ist die Intensität des im Uhrzeigersinn abgelenkten Lichts höher als die Intensität des gegen den Uhrzeigersinn abgelenkten Lichts, und die Überwachungsvorrichtung 11 gibt die Anwesenheit einer negativen Steigung korrekt an. Somit kann die Überwachungsvorrichtung 11 von Fig. 1 gemäß dieser Erfindung dennoch angemessen feststellen, ob der Strahl 34 eine Vertiefung oder eine Erhebung überquert. Dies kann gemäß dieser Erfindung dennoch angemessen sein, um festzustellen, ob der Strahl 34 eine Vertiefung oder eine Erhebung überquert.

Eine Implementierung des Systems 1 ist in Fig. 5 ausführlicher dargestellt, wobei das System zum Erkennen von und Unterscheiden zwischen Oberflächenvertiefungen und -erhebungen einen Laser 154 zum Richten des Strahls 160 durch einen Strahlerweiterer 156 zum Spiegel 158 umfaßt, der den Strahl 160 auf die Oberfläche 162 des Prüfstücks 164 lenkt. Das Prüfstück 164 kann die Form eines Aluminiumrohteils, einer polierten oder sogar einer beschichteten Magnetplatte aufweisen: das System dieser Erfindung ermöglicht die Untersuchung während fast allen Bearbeitungsstufen, um Fehler früh zu erkennen, bevor weitere kostenaufwendige Herstellungsprozesse stattfinden.

Der Codierer 54 überwacht und steuert die Winkelposition einer Luftspindel 56. Der Servomotor 82 bewegt die Luftspindel 56 durch Parallelverschiebung in der durch den Pfeil 58 dargestellten Richtung hin und her. Die Luftspindel 56 dreht das Prüfstück 164, wie durch den Pfeil 60 angegeben. Auf diese Weise überquert der Strahl 160 die Oberfläche 162 oder rastert diese ab. Die Drehung der Spindel 56 und ihre Parallelverschiebung geschehen gleichzeitig und die Geschwindigkeiten dieser zwei Bewegungen werden mit der Größe des Punkts des Strahls 160 auf der Oberfläche 162 so ausgewählt, daß die gesamte Oberfläche 162 des Prüfstücks 164 von der Spiralbahn des Punkts erfaßt wird. Folglich gibt es für jede interessierende Vertiefung oder Erhebung einen Teil dieser Spiralbahn, der durch die Mitte des Fehlers hindurchgeht. Der Computer 200 steuert den Motor 82 an und empfängt ein Positionseingangssignal über die Leitung 107. Der Computer 200 überwacht auch den Codierer 54 und empfängt eine Positionsinformation über die Leitung 109. Eine Druckausgabeeinheit oder Anzeige 108 liefert somit eine Angabe von irgendwelchen erkannten Vertiefungen oder Erhebungen sowie der Größe der erkannten Vertiefung oder Erhebung.

Wenn an dem Punkt, wo der Strahl 160 auf die Oberfläche 162 auftrifft, kein Fehler vorhanden ist, und wenn die Oberfläche 162 eine stark polierte Oberfläche ist, wird die gesamte Strahlung typischerweise entlang des Strahls 84 spiegelnd zurückreflektiert. In diesem Fall kehrt der Strahl seinen Weg zum Spiegel 158, zur Linse 166 und zum Strahlenteiler 168 zum Strahlenteiler 168 und zum Strahlenteiler 170 um, wo er in zwei Strahlen 172 und 174 aufgeteilt wird. Der Strahl 174 trifft auf den Detektor 152 auf; der Strahl 172 trifft auf den Detektor 150 auf. Jeder der Detektoren weist eine halbringförmige empfindliche Fläche und eine zentrale Sperre auf, die so positioniert ist, daß die Strahlen, wenn sie nach der Reflexion von einer ungestörten Oberfläche 162 des Prüfstücks 164 eintreffen, blockiert und nicht erfaßt werden.

Jegliche nicht spiegelnde Streuung von der Oberfläche 162, die durch andere Fehler als die interessierenden Vertiefungen oder Erhebungen erzeugt wird, wird vom Defektdetektor 110 gemäß der Methodologie und Vorrichtung, die im US-Patent Nr. 4 794 265 beschrieben sind, festgestellt. Schließlich zeigt die Druck- und Anzeigeeinheit 108 die Stelle von irgendwelchen auf dem Prüfstück 164 erkannten Erhebungen oder Vertiefungen sowie Signale, die anzeigen, ob der erkannte Fehler eine Vertiefung oder eine Erhebung ist, und die relativen Höhen von irgendwelchen erkannten Erhebungen oberhalb der nominalen Oberfläche 162 des Prüfstücks 164 an. Auf diese Weise kann das Qualitätskontrollpersonal jede Erhebung bewerten, um festzustellen, ob es zu einer anschließenden Beschädigung eines Magnetkopfs kommen würde, wenn der Magnetkopf Informationen auf das Prüfstück 164 schreibt, indem er in Abständen, die nicht höher als gerade ein Bruchteil eines Mikrometers über der Oberfläche 162 liegen, über die Oberfläche 162 läuft.

Wenn jedoch eine Vertiefung oder Erhebung angetroffen wird, weicht der Teil des Strahls 160, der am Steigungsbereich des Fehlers ankommt, von der Senkrechten zur Oberfläche 162 ab. Der abweichende reflektierte Strahl geht über den Spiegel 158, die Linse 166 und die Strahlenteiler 168 und 170, und die Abweichung entspricht (hinsichtlich Fig. 5) der Verschiebung des reflektierten Strahls nach links und rechts auf der Oberfläche des Detektors 150 und der Verschiebung des reflektierten Strahls nach oben und unten auf der Oberfläche des Detektors 152. Die Detektoren 150 und 152 sind mit maskierten Flächen 176 bzw. 178 versehen, die entgegengesetzte Hälften der Detektoren 150 und 152 bedecken, so daß, wenn der Strahl aufgrund der lokalen Steigung der Oberfläche 162 abweicht, er auf der empfindlichen Fläche von einem Detektor eintrifft und durch die Maske auf dem anderen Detektor blockiert wird. Die Ausgangssignale der Detektoren 150 und 152 werden durch Vorverstärker 180 bzw. 182 verstärkt und an einen Differenzverstärker 184 angelegt, wo eine Differenz dieser zwei Signale gebildet wird. Wenn vom Strahl 160 eine Erhebung angetroffen wird, ändert sich die Steigung der Oberfläche 162 gemäß dem Steigungsprofil, das in Fig. 3 dargestellt ist. Wenn der Beleuchtungsstrahl 160 die positive Steigung einer Erhebung überquert, weicht der reflektierte Strahl folglich ab, so daß er auf den unmaskierten empfindlichen Teil 190 des Detektors 150 auftrifft, aber auf den maskierten Teil 178 des Detektors 152 auftrifft. Wenn der Beleuchtungsstrahl 160 den Scheitelpunkt einer Erhebung überquert, besteht keine Abweichung und der reflektierte Strahl trifft auf den maskierten Teil beider Detektoren 150 und 152 auf. Wenn der Beleuchtungsstrahl 160 die negative Steigung einer Erhebung überquert, trifft die Abweichung des reflektierten Strahls auf den maskierten Teil 176 des Detektors 150 und auf den unmaskierten Teil 192 des Detektors 152 auf, was dazu führt, daß vom Detektor 152 ein Signal zum Vorverstärker 182 geliefert wird. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 184 wird zum Integrator 186 geliefert, der einen positiven Impuls für Erhebungen und negative Impulse für Vertiefungen erzeugt. Aus Fig. 3 ist zu sehen, daß das Integral eines Erhebungssteigungsprofils - positive Steigung, gefolgt von negativer Steigung - (oder das Integral der Strahlablenkung als Funktion der Zeit) positiv ist, während dieses Integral für eine Vertiefung (negative Steigung, gefolgt von einer positiven) negativ ist. Das Ausgangssignal des Integrators 186 wird zu zwei Sätzen von Vergleichern geliefert, wobei der Vergleicher 196 auf positive Impulse anspricht und der Vergleicher 198 auf negative Impulse. Diese Vergleicher werden vom Computer 200 zusammen mit Positions- und Winkelcodiersignalen überwacht, wobei somit Daten für die Fehleridentifikation, -größenbestimmung und -kartierung geliefert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren begründet das Richten eines Beleuchtungsstrahls auf eine Oberfläche, Schritt 210, Fig. 7. Der reflektierte Strahl wird abgetastet, Schritt 212, und es wird ermittelt, ob irgendeine Abweichung vom erwarteten Reflexionsweg für eine fehlerfreie Oberfläche aufgetreten ist, Schritt 214. Wenn keine Abweichung vorliegt, wird die Steigung als Null festgestellt, Schritt 216. Wenn eine Abweichung im Uhrzeigersinn vorliegt, Schritt 218, wird die Steigung als negativ festgestellt, Schritt 220. Eine Abweichung gegen den Uhrzeigersinn, Schritt 222, gibt eine positive Steigung an, Schritt 224. Die Überwachung dieser Abweichungen, Schritt 226, über die Zeit, wenn der Beleuchtungsstrahl den Fehler überquert, ermöglicht, daß eine Auswertung hinsichtlich dessen durchgeführt wird, ob der Beleuchtungsstrahl eine Vertiefung oder eine Erhebung überquert.

Ein erfindungsgemäßes Prototypsystem wurde zum Untersuchen einer Anzahl von verschiedenen Magnetfestplatten verwendet. Die Ausgangssignale des dualen Detektors überwachen die Steigung der Plattenoberfläche, die mit dem Laserpunkt (Strahldurchmesser ist ungefähr gleich 30 Mikrometer bei einem Intensitätsniveau von 1/e²) beleuchtet wird. Wenn der Laserstrahl die Platte abrastert und eine Vertiefung oder Erhebung kreuzt, wird die Abweichung des Laserstrahls erfolgreich erfaßt, und die Richtung dieser Abweichung ermöglicht die Unterscheidung zwischen einer Vertiefung und einer Erhebung. Die Ausgangssignale der Detektoren werden elektronisch verarbeitet, um ein Signal zu erhalten, das das Oberflächenprofil qualitativ darstellt. Die elektronische Prototypschaltung verarbeitet, digitalisiert und überträgt Daten zu einem Computer. Ein modifizierter experimenteller DISKAN 7000, der von QC Optics, Inc. in Burlington, Massachusetts, erhältlich ist, kann eine Karte der Platte entweder in einer Vertiefungs- oder einer Erhebungserfassungs-Betriebsart sammeln. Der normale Kanal des DISKAN 7000 wurde unverändert gelassen und wurde zum Sammeln der Verunreinigungskarten der Platten verwendet. Der DISKAN 7000 ist mit einem Mikroskop ausgestattet, um erkannte Fehler auf den Karten zu überprüfen. Unter Verwendung der Mikroskopbilder werden einfache Oberflächenfehler qualitativ beschrieben und kategorisiert, aber, wie im obigen Hintergrund der Erfindung erörtert, ist durch dieses Verfahren eine geringe quantitative Information verfügbar. Wenn die Fehler komplexe Formen aufweisen, wird ferner die Interpretation der Mikroskopbilder schwierig. Einige der komplexeren Fehler wurden daher unter Verwendung eines WYKO® Interferenzmikroskops weiter analysiert.

Farboberflächenprofil-Diagramme, dreidimensionale Diagramme und zweidimensionale Querschnittsdiagramme, die von dem WYKO®-Interferometer geliefert werden, machten es möglich, die Größe und die Form dieser Vertiefungen und Erhebungen eindeutig und qualitativ zu beschreiben. Diese detaillierte Analyse jedes Fehlers wurde dann mit den unter Verwendung des modifizierten DISKAN 7000 gemäß dieser Erfindung erhaltenen Daten in Beziehung gesetzt. Es wurde gezeigt, daß zwischen den unter Verwendung des modifizierten DISKAN 7000 gemäß dieser Erfindung erhaltenen Daten in den Vertiefungs- und Erhebungserkennungskanälen und der an jedem Fehler durchgeführten Mikroskopanalyse eine gute Beziehung bestand. Insbesondere werden die Erhebungen und Vertiefungen, die im Mikroskop glatt und symmetrisch erscheinen, ausschließlich in den Erhebungs- und Vertiefungskanälen erkannt. Für die Fehler, die sowohl in den Vertiefungs- als auch in den Erhebungskanälen erkannt wurden, bestätigten die Mikroskopdaten, daß sowohl eine Erhebung oberhalb als auch eine Vertiefung unterhalb des mittleren Oberflächenniveaus nebeneinander vorlagen. Die Erkennungsgrenze des Erhebungskanals ist besser als 0,06 Mikrometer. Die Erkennungsgrenze des Vertiefungskanals wurde auf ein geringfügig höheres Niveau eingestellt, etwa 0,09 Mikrometer. Bei diesen Erkennungsniveaus scheinen die Fremdverunreinigungen auf der Plattenoberfläche keine signifikante Erkennung in den Vertiefungs- oder Erhebungskanälen zu ergeben, und werden ausschließlich durch Streuung im Verunreinigungskanal gemäß den im Hintergrund der Erfindung angeführten Patenten erkannt. Die Leistung des modifizierten DISKAN 7000 und die erfindungsgemäßen Vertiefungs- und Erhebungserkennungsverfahren bewiesen, daß sie eine gute Empfindlichkeit gegen kleine Vertiefungen und kleine Erhebungen bieten.

Wenn der Strahl 160 beispielsweise eine Erhebung auf einer Magnetplatte überquert hat, wurde in der Anzeige 108, Fig. 5, ein Signal 130, Fig. 6, erzeugt, das dem Steigungsprofil für eine Erhebung entspricht, Fig. 3. Die Amplitude des Signals und die Zeit, die der Beleuchtungsstrahl braucht, um sowohl die positive als auch die negative Steigung einer Erhebung zu überqueren, werden verwendet, um die relative Größe der Erhebung abzuleiten. Die Amplitude des Signals 136, Fig. 6, des Integrators 186, Fig. 5, zeigt die Tiefe oder Höhe des Fehlers an, während die Zeitdauer die Querausdehnung des Fehlers anzeigt.

Obwohl in einigen Zeichnungen spezielle Merkmale dieser Erfindung und keine anderen dargestellt sind, dient dies nur der Bequemlichkeit, da ein gewisses Merkmal mit irgendeinem oder allen der anderen erfindungsgemäßen Merkmale kombiniert werden kann.

Weitere Ausführungsbeispiele kommen Fachleuten in den Sinn und liegen innerhalb der folgenden Ansprüche:


Anspruch[de]

1. System zum Erkennen und Unterscheiden von Oberflächenfehler-Vertiefungen und -Erhebungen mit einem Mittel (154, 60, 82) zum Abrastern einer Oberfläche (162) mit einem Strahl; einem Mittel (150-152) zum Abtasten der Strahlung, die von der Oberfläche im annähernd spiegelnden Bereich gestreut wird; einem Mittel (184) zum Erkennen einer lokalen Steigung auf der Oberfläche als Reaktion auf die von der Oberfläche im annähernd spiegelnden Bereich gestreute Strahlung; und einem Mittel, das auf das Mittel zum Erkennen (184) anspricht, zum Unterscheiden, ob der Strahl (160) eine Vertiefung oder eine Erhebung abrastert; dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Unterscheiden einen Integrator (186) umfaßt, der zum Integrieren eines Signals, das eine Änderung der lokalen Steigung mit der Zeit darstellt, angeordnet ist, um einen Impuls zu erzeugen, dessen jeweilige Polarität zwischen einer Vertiefung und einer Erhebung unterscheidet.

2. System nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Abrastern eine Laserquelle (154) und ein Mittel (82) zum Vorsehen einer relativen Bewegung zwischen dem Laserstrahl (160) und der Oberfläche (162) umfaßt.

3. System nach Anspruch 2, wobei das Mittel (82) zum Vorsehen der relativen Bewegung ein Mittel (56) zum Drehen (60) der Oberfläche und zum Parallelverschieben (58) der Oberfläche (162) relativ zum Laserstrahl (160) umfaßt.

4. System nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Abrastern ein Mittel (158) zum Richten eines Laserstrahls (160) in eine zur Oberfläche (162) senkrechte Richtung umfaßt.

5. System nach einem vorangehenden Anspruch, wobei das Mittel zum Erkennen einen ersten (150) und einen zweiten (152) Detektor zum Abtasten der von der Oberfläche reflektierten Strahlung umfaßt, wobei jeder Detektor zum separaten Anzeigen einer Abweichung in einer Richtung vom erwarteten Weg (84) für eine nominale Oberfläche, welche eine lokale Steigung auf der Oberfläche (162) darstellt, angeordnet und maskiert (176, 178) ist.

6. System nach einem vorangehenden Anspruch, welches ferner ein Mittel (200), das auf das Mittel zum Erkennen anspricht, zum Messen der relativen Höhe einer Erhebung auf der Oberfläche als Reaktion auf die von der Oberfläche (162) reflektierte Strahlung umfaßt.

7. System nach einem vorangehenden Anspruch, welches ferner ein Mittel (200), das auf den Integrator (186) anspricht, zum Abschätzen der relativen Tiefe einer Vertiefung auf der Oberfläche als Reaktion auf die von der Oberfläche reflektierte Strahlung umfaßt.

8. System nach einem vorangehenden Anspruch, welches ferner ein Mittel (200), das auf den Integrator (186) anspricht, zum Ermitteln der Querausdehnung einer auf der Oberfläche erkannten Vertiefung und Erhebung umfaßt.

9. System nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Abrastern ein Mittel (200) zum Bezeichnen der Stelle der Vertiefung oder Erhebung auf der Oberfläche umfaßt.

10. System nach einem vorangehenden Anspruch, welches ferner Vergleicher (196, 198) umfaßt, die zwischen positiven und negativen Impulsen aus dem Integrator (186) unterscheiden.

11. Verfahren zum Erkennen von Vertiefungen und Erhebungen auf einer Oberfläche und zum Unterscheiden zwischen diesen, welches umfaßt: Abrastern einer Oberfläche mit einem Strahl; Abtasten der auf der Oberfläche in einem annähernd spiegelnden Bereich reflektierten Strahlung; Erkennen einer lokalen Steigung auf der Oberfläche aus der von der Oberfläche im annähernd spiegelnden Bereich gestreuten Strahlung; und Unterscheiden, ob der Strahl eine Vertiefung oder eine Erhebung abrastert; gekennzeichnet durch Integrieren eines Signals, das die Änderung der lokalen Steigung mit der Zeit darstellt, um einen Impuls zu erzeugen, dessen Polarität kennzeichnet, ob ein jeweiliger Fehler eine Vertiefung oder eine Erhebung ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner das Vorsehen einer relativen Bewegung zwischen dem Strahl und der Oberfläche umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, welches ferner das Analysieren des Signals und der Zeit, die der Strahl braucht, um die positiven und negativen Steigungen einer Vertiefung oder Erhebung auf der Oberfläche zu durchqueren, umfaßt, um die relative Höhe von irgendeiner erkannten Erhebung und die relativen Tiefe von irgendeiner erkannten Vertiefung unterhalb der Oberfläche zu messen.







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