基于藍光DVD光學讀取頭的納米觸發測頭*

陳建國, 陳欣磊, 許 健, 程榮俊, 張連生, 黃強先

(合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

微納米加工技術和微電子技術在數十年來不斷迅猛發展,應運而生的是諸多幾何尺寸在微納米量級的微型器件,如微機電系統(MEMS)器件[1]。為了應對微尺寸元器件關鍵尺寸的精準測量,精度可達微納米量級的三坐標測量裝置應運而生。按測頭工作方式的不同,可分為接觸式測頭和非接觸式測頭。接觸式測頭是測頭部分與被測件直接進行觸碰,并在達到觸發條件時采集觸碰點三維坐標信息。該測頭具有分辨力高、重復性好等優點,但由于測量力的存在,容易因測桿、測頭和試樣的形變引入測量誤差,甚至損壞柔性材質試樣表面。非接觸式測頭則是采用非接觸的方式對被測器件進行測量,捕捉采集被測樣品表面三維尺寸信息[2～4]。相對于接觸式測頭最大的優勢是無測量力存在,在測量過程中不會引入測量誤差,也不會對于柔性材質或精密微結構試樣造成損壞。且非接觸式測頭測量速度快,效率高。故而非接觸式測頭適用于微型元器件表面關鍵尺寸的微納米量級測量。

光學讀取頭具有低成本、高集成度、高精度和高分辨力的特性,已廣泛應用于階高、線寬、孔徑和微小角度的非接觸測量[5～8]。其中傳統光學讀取頭縱向測量的原理是通過標定測頭內部聚焦誤差曲線的線性區間來用于試樣高度的測量[9],故而線性區間的大小直接影響測頭縱向測量范圍。隨著光學非接觸納米測量的發展,光學讀取頭聚焦透鏡的數值孔徑(numerical aperture,NA)制約其縱向分辨力的進一步提升。選用高NA值透鏡帶來更高精度與分辨力的同時也會造成聚焦誤差曲線的線性區間驟減,導致測頭縱向測量行程大幅降低,適用性大大降低。

本文基于藍光DVD光學讀取頭改進研發了一種非接觸式觸發測頭,既提高了測量精度與分辨力,又擴大了縱向測量行程,保證了測頭的適用性?；诳v向觸發測量理論,設計搭建測頭系統,并通過實驗驗證了測頭縱向測量的納米量級分辨力和良好的重復性。

1 測頭結構與測量系統

光學非接觸式納米觸發測頭總體結構如圖1所示,主要由藍光DVD光學讀取頭、光學調整架、互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)傳感器、白光光源、分光棱鏡、聚焦物鏡、物鏡調整架、微調旋鈕和光學元件固定盒體組成。通過機械結構設計保證測頭系統的集成性、穩定性和光路調節的便捷性。

圖1 納米觸發測頭

光學非接觸式納米觸發測頭光路示意如圖2所示,主要由測量模塊和觀測模塊組成。測量模塊是基于藍光DVD光學讀取頭改進研制的。觀測模塊則是以CMOS傳感器與平行同軸白光光源為基礎搭建的成像光路系統。在實際實驗中,由于測頭聚焦透鏡與試樣之間的工作距離極小,單獨的測量模塊無法觀察激光光束與待測樣品表面的相對位置關系,便無法實現對樣品待測尺寸的快速對準對焦,故而本文設計了觀測模塊彌補上述不足,并經過共光路設計,將兩者結合為一整體測頭。

圖2 測頭光路示意

測量系統示意如圖3所示,由觀測模塊、測量模塊、信息處理采集及測量控制模塊和宏微位移定位模塊4個部分組成。其中，觸發測頭由測量與觀測模塊組成,負責試樣對準與測量功能,信息處理采集及測量控制模塊由自行設計的后級信號處理電路和數據采集卡和工控機組成,主要功能是將讀取頭輸出4路信號進行差和運算、消偏置、歸一化和濾波處理,再通過高速數據采集卡模數轉換與數字濾波(中值平均濾波)傳輸至工控機，并由測量控制軟件的人機交互界面實時顯示,操作者可通過交互界面實現對準對焦,并通過按鈕指令實現自動觸發測量。宏微位移定位模塊是由三維宏位移定位平臺、三維微位移定位平臺和宏微動臺控制器組成,其中宏動臺負責快速逼近測頭至微動臺測量行程附近,微動臺負責承載試樣進行縱向觸發測量實驗。

圖3 納米觸發測量系統示意

2 測量原理

2.1 光學讀取頭原理

藍光DVD光學讀取頭內部結構示意如圖4所示。其工作原理:由激光二極管出射405 nm波長的藍光激光,經光柵分為3束光(中間光束測量,兩側光束循軌),再經分光棱鏡、準直透鏡和圓柱透鏡聚焦在光盤上。光束經反射后返回讀取頭內部并經原光路透過分光棱鏡透射到像散透鏡,再入射到四象限探測器上[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],光盤離焦情況的不同會使入射在四象限探測器上的光斑形狀不同。探測器根據各象限的光強分布,通過內部集成光電轉換電路得到直流電壓信號,后經信號處理電路的和差運算得到聚焦誤差信號(focus error signal,FES)(A+C)-(B+D)。

圖4 光學讀取頭內部結構示意

聚焦誤差信號曲線如圖5所示,當光盤位于離焦情況一或情況二時,反射回讀取頭的光束經過像散透鏡照射在四象限探測器上都會呈現橢圓形狀；當其位于焦平面時則是圓形。傳統光學讀取頭的測量即是利用FES曲線線性區間的高分辨力和高精度,對其進行標定,得到縱向坐標信息與FES值的對應關系,利用該種關系進行縱向高度測量。

圖5 聚焦誤差信號曲線

2.2 縱向觸發測量原理

由于聚焦透鏡NA值的大小影響光學讀取頭縱向測量的分辨力和精度。高NA值在給測頭帶來高分辨力的同時也會使FES的線性區間急劇減小,極大限制了測頭的適用性。針對此難題,本文提出一種縱向觸發測量原理:利用FES曲線離焦平面越近,擬合殘差越小的特性,設定焦平面附近合理的閾值范圍作為觸發條件,再對閾值范圍進行一次線性擬合得出預設觸發點(FES為0,即焦點位置)對應縱向坐標。通過對試樣頂面與底面觸發測量得到的兩縱向坐標的差值即為測得的試樣高度值。此種方法既利用高NA值(NA為0.9)透鏡測頭的高精度和高分辨力,又通過觸發測量的方式解除了高NA值帶來低測量行程的限制,提高了測頭的適用性。以階高測量實驗為例,縱向觸發測量示意如圖6所示。

圖6 縱向觸發測量示意

3 實驗驗證

為驗證測頭縱向測量性能,選用德國PI公司的一種LISA線性平臺為Z向微位移定位平臺,內置高精度電容傳感器,實時監測微動臺位置,可達亞納米級分辨率。在閉環條件下,其最大位移量為15 μm,最小位移分辨率為0.1 nm,重復性定位誤差優于1 nm。

本文采用硬件電路濾波與數字濾波軟硬協同的方式提高測量信號信噪比。通過北京阿爾泰數據采集卡(PCI—8622)采集測量信號,如圖7所示,FES的噪聲峰峰值在1.4 mV以內。

圖7 FES噪聲

以臺灣大學精密加工中心的1 μm階高為待測工件,如圖8所示。對其進行10次重復性縱向觸發測量實驗,其中，1次測量數據如圖9所示。10次測量結果分別為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；測得觸發閾值范圍(±2 500 mV)的線性區間為0.9 μm,得出靈敏度約為5.56 mV/nm。由測量結果可以看出,對1 μm階高測量的平均值為0.973 2 μm,測量標準差為18 nm。

圖8 1 μm階高

圖9 1 μm階高測量

4 結 論

本文基于藍光DVD光學讀取頭改裝研制了一種納米觸發測頭,既利用高NA值透鏡測頭的高精度和高分辨力,又通過觸發測量的方式解除了高NA值帶來低測量行程的限制,提高了測頭的適用性。實驗結果表明：該測頭的縱向分辨力優于1 nm,重復性誤差為18 nm,縱向測量范圍由1.6 μm提升到10 μm左右。