陳建國(guó), 陳欣磊, 許 健, 程榮俊, 張連生, 黃強(qiáng)先

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

微納米加工技術(shù)和微電子技術(shù)在數(shù)十年來(lái)不斷迅猛發(fā)展,應(yīng)運(yùn)而生的是諸多幾何尺寸在微納米量級(jí)的微型器件,如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件[1]。為了應(yīng)對(duì)微尺寸元器件關(guān)鍵尺寸的精準(zhǔn)測(cè)量,精度可達(dá)微納米量級(jí)的三坐標(biāo)測(cè)量裝置應(yīng)運(yùn)而生。按測(cè)頭工作方式的不同,可分為接觸式測(cè)頭和非接觸式測(cè)頭。接觸式測(cè)頭是測(cè)頭部分與被測(cè)件直接進(jìn)行觸碰,并在達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)采集觸碰點(diǎn)三維坐標(biāo)信息。該測(cè)頭具有分辨力高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),但由于測(cè)量力的存在,容易因測(cè)桿、測(cè)頭和試樣的形變引入測(cè)量誤差,甚至損壞柔性材質(zhì)試樣表面。非接觸式測(cè)頭則是采用非接觸的方式對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行測(cè)量,捕捉采集被測(cè)樣品表面三維尺寸信息[2～4]。相對(duì)于接觸式測(cè)頭最大的優(yōu)勢(shì)是無(wú)測(cè)量力存在,在測(cè)量過(guò)程中不會(huì)引入測(cè)量誤差,也不會(huì)對(duì)于柔性材質(zhì)或精密微結(jié)構(gòu)試樣造成損壞。且非接觸式測(cè)頭測(cè)量速度快,效率高。故而非接觸式測(cè)頭適用于微型元器件表面關(guān)鍵尺寸的微納米量級(jí)測(cè)量。

光學(xué)讀取頭具有低成本、高集成度、高精度和高分辨力的特性,已廣泛應(yīng)用于階高、線寬、孔徑和微小角度的非接觸測(cè)量[5～8]。其中傳統(tǒng)光學(xué)讀取頭縱向測(cè)量的原理是通過(guò)標(biāo)定測(cè)頭內(nèi)部聚焦誤差曲線的線性區(qū)間來(lái)用于試樣高度的測(cè)量[9],故而線性區(qū)間的大小直接影響測(cè)頭縱向測(cè)量范圍。隨著光學(xué)非接觸納米測(cè)量的發(fā)展,光學(xué)讀取頭聚焦透鏡的數(shù)值孔徑(numerical aperture,NA)制約其縱向分辨力的進(jìn)一步提升。選用高NA值透鏡帶來(lái)更高精度與分辨力的同時(shí)也會(huì)造成聚焦誤差曲線的線性區(qū)間驟減,導(dǎo)致測(cè)頭縱向測(cè)量行程大幅降低,適用性大大降低。

本文基于藍(lán)光DVD光學(xué)讀取頭改進(jìn)研發(fā)了一種非接觸式觸發(fā)測(cè)頭,既提高了測(cè)量精度與分辨力,又?jǐn)U大了縱向測(cè)量行程,保證了測(cè)頭的適用性?；诳v向觸發(fā)測(cè)量理論,設(shè)計(jì)搭建測(cè)頭系統(tǒng),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)頭縱向測(cè)量的納米量級(jí)分辨力和良好的重復(fù)性。

1 測(cè)頭結(jié)構(gòu)與測(cè)量系統(tǒng)

光學(xué)非接觸式納米觸發(fā)測(cè)頭總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由藍(lán)光DVD光學(xué)讀取頭、光學(xué)調(diào)整架、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)傳感器、白光光源、分光棱鏡、聚焦物鏡、物鏡調(diào)整架、微調(diào)旋鈕和光學(xué)元件固定盒體組成。通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證測(cè)頭系統(tǒng)的集成性、穩(wěn)定性和光路調(diào)節(jié)的便捷性。

圖1 納米觸發(fā)測(cè)頭

光學(xué)非接觸式納米觸發(fā)測(cè)頭光路示意如圖2所示,主要由測(cè)量模塊和觀測(cè)模塊組成。測(cè)量模塊是基于藍(lán)光DVD光學(xué)讀取頭改進(jìn)研制的。觀測(cè)模塊則是以CMOS傳感器與平行同軸白光光源為基礎(chǔ)搭建的成像光路系統(tǒng)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,由于測(cè)頭聚焦透鏡與試樣之間的工作距離極小,單獨(dú)的測(cè)量模塊無(wú)法觀察激光光束與待測(cè)樣品表面的相對(duì)位置關(guān)系,便無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品待測(cè)尺寸的快速對(duì)準(zhǔn)對(duì)焦,故而本文設(shè)計(jì)了觀測(cè)模塊彌補(bǔ)上述不足,并經(jīng)過(guò)共光路設(shè)計(jì),將兩者結(jié)合為一整體測(cè)頭。

圖2 測(cè)頭光路示意

測(cè)量系統(tǒng)示意如圖3所示,由觀測(cè)模塊、測(cè)量模塊、信息處理采集及測(cè)量控制模塊和宏微位移定位模塊4個(gè)部分組成。其中，觸發(fā)測(cè)頭由測(cè)量與觀測(cè)模塊組成,負(fù)責(zé)試樣對(duì)準(zhǔn)與測(cè)量功能,信息處理采集及測(cè)量控制模塊由自行設(shè)計(jì)的后級(jí)信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)組成,主要功能是將讀取頭輸出4路信號(hào)進(jìn)行差和運(yùn)算、消偏置、歸一化和濾波處理,再通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集卡模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)字濾波(中值平均濾波)傳輸至工控機(jī)，并由測(cè)量控制軟件的人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示,操作者可通過(guò)交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)對(duì)焦,并通過(guò)按鈕指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)測(cè)量。宏微位移定位模塊是由三維宏位移定位平臺(tái)、三維微位移定位平臺(tái)和宏微動(dòng)臺(tái)控制器組成,其中宏動(dòng)臺(tái)負(fù)責(zé)快速逼近測(cè)頭至微動(dòng)臺(tái)測(cè)量行程附近,微動(dòng)臺(tái)負(fù)責(zé)承載試樣進(jìn)行縱向觸發(fā)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

圖3 納米觸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)示意

2 測(cè)量原理

2.1 光學(xué)讀取頭原理

藍(lán)光DVD光學(xué)讀取頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。其工作原理:由激光二極管出射405 nm波長(zhǎng)的藍(lán)光激光,經(jīng)光柵分為3束光(中間光束測(cè)量,兩側(cè)光束循軌),再經(jīng)分光棱鏡、準(zhǔn)直透鏡和圓柱透鏡聚焦在光盤(pán)上。光束經(jīng)反射后返回讀取頭內(nèi)部并經(jīng)原光路透過(guò)分光棱鏡透射到像散透鏡,再入射到四象限探測(cè)器上[10～12]。由于像散透鏡的像散原理(即子午焦距與弧矢焦距不同)[13～15],光盤(pán)離焦情況的不同會(huì)使入射在四象限探測(cè)器上的光斑形狀不同。探測(cè)器根據(jù)各象限的光強(qiáng)分布,通過(guò)內(nèi)部集成光電轉(zhuǎn)換電路得到直流電壓信號(hào),后經(jīng)信號(hào)處理電路的和差運(yùn)算得到聚焦誤差信號(hào)(focus error signal,FES)(A+C)-(B+D)。

圖4 光學(xué)讀取頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

聚焦誤差信號(hào)曲線如圖5所示,當(dāng)光盤(pán)位于離焦情況一或情況二時(shí),反射回讀取頭的光束經(jīng)過(guò)像散透鏡照射在四象限探測(cè)器上都會(huì)呈現(xiàn)橢圓形狀；當(dāng)其位于焦平面時(shí)則是圓形。傳統(tǒng)光學(xué)讀取頭的測(cè)量即是利用FES曲線線性區(qū)間的高分辨力和高精度,對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定,得到縱向坐標(biāo)信息與FES值的對(duì)應(yīng)關(guān)系,利用該種關(guān)系進(jìn)行縱向高度測(cè)量。

圖5 聚焦誤差信號(hào)曲線

2.2 縱向觸發(fā)測(cè)量原理

由于聚焦透鏡NA值的大小影響光學(xué)讀取頭縱向測(cè)量的分辨力和精度。高NA值在給測(cè)頭帶來(lái)高分辨力的同時(shí)也會(huì)使FES的線性區(qū)間急劇減小,極大限制了測(cè)頭的適用性。針對(duì)此難題,本文提出一種縱向觸發(fā)測(cè)量原理:利用FES曲線離焦平面越近,擬合殘差越小的特性,設(shè)定焦平面附近合理的閾值范圍作為觸發(fā)條件,再對(duì)閾值范圍進(jìn)行一次線性擬合得出預(yù)設(shè)觸發(fā)點(diǎn)(FES為0,即焦點(diǎn)位置)對(duì)應(yīng)縱向坐標(biāo)。通過(guò)對(duì)試樣頂面與底面觸發(fā)測(cè)量得到的兩縱向坐標(biāo)的差值即為測(cè)得的試樣高度值。此種方法既利用高NA值(NA為0.9)透鏡測(cè)頭的高精度和高分辨力,又通過(guò)觸發(fā)測(cè)量的方式解除了高NA值帶來(lái)低測(cè)量行程的限制,提高了測(cè)頭的適用性。以階高測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例,縱向觸發(fā)測(cè)量示意如圖6所示。

圖6 縱向觸發(fā)測(cè)量示意

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證測(cè)頭縱向測(cè)量性能,選用德國(guó)PI公司的一種LISA線性平臺(tái)為Z向微位移定位平臺(tái),內(nèi)置高精度電容傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微動(dòng)臺(tái)位置,可達(dá)亞納米級(jí)分辨率。在閉環(huán)條件下,其最大位移量為15 μm,最小位移分辨率為0.1 nm,重復(fù)性定位誤差優(yōu)于1 nm。

本文采用硬件電路濾波與數(shù)字濾波軟硬協(xié)同的方式提高測(cè)量信號(hào)信噪比。通過(guò)北京阿爾泰數(shù)據(jù)采集卡(PCI—8622)采集測(cè)量信號(hào),如圖7所示,FES的噪聲峰峰值在1.4 mV以?xún)?nèi)。

圖7 FES噪聲

以臺(tái)灣大學(xué)精密加工中心的1 μm階高為待測(cè)工件,如圖8所示。對(duì)其進(jìn)行10次重復(fù)性縱向觸發(fā)測(cè)量實(shí)驗(yàn),其中，1次測(cè)量數(shù)據(jù)如圖9所示。10次測(cè)量結(jié)果分別為1.004 3，0.983 0，0.960 3，0.975 4，0.949 8，0.974 2，0.963 5，1.002 7，0.968 9，0.972 8 μm；測(cè)得觸發(fā)閾值范圍(±2 500 mV)的線性區(qū)間為0.9 μm,得出靈敏度約為5.56 mV/nm。由測(cè)量結(jié)果可以看出,對(duì)1 μm階高測(cè)量的平均值為0.973 2 μm,測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為18 nm。

圖8 1 μm階高

圖9 1 μm階高測(cè)量

4 結(jié) 論

本文基于藍(lán)光DVD光學(xué)讀取頭改裝研制了一種納米觸發(fā)測(cè)頭,既利用高NA值透鏡測(cè)頭的高精度和高分辨力,又通過(guò)觸發(fā)測(cè)量的方式解除了高NA值帶來(lái)低測(cè)量行程的限制,提高了測(cè)頭的適用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該測(cè)頭的縱向分辨力優(yōu)于1 nm,重復(fù)性誤差為18 nm,縱向測(cè)量范圍由1.6 μm提升到10 μm左右。