陳建國, 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的微型器件,如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件[1]。為了應(yīng)對微尺寸元器件關(guān)鍵尺寸的精準(zhǔn)測量,精度可達(dá)微納米量級的三坐標(biāo)測量裝置應(yīng)運(yùn)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(jìn)行觸碰,并在達(dá)到觸發(fā)條件時采集觸碰點(diǎn)三維坐標(biāo)信息。該測頭具有分辨力高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),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(zhì)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(jìn)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(yōu)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(zhì)或精密微結(jié)構(gòu)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(guān)鍵尺寸的微納米量級測量。

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量[5～8]。其中傳統(tǒng)光學(xué)讀取頭縱向測量的原理是通過標(biāo)定測頭內(nèi)部聚焦誤差曲線的線性區(qū)間來用于試樣高度的測量[9],故而線性區(qū)間的大小直接影響測頭縱向測量范圍。隨著光學(xué)非接觸納米測量的發(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(qū)間驟減,導(dǎo)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(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)測頭,既提高了測量精度與分辨力,又?jǐn)U大了縱向測量行程,保證了測頭的適用性?；诳v向觸發(fā)測量理論,設(shè)計搭建測頭系統(tǒng),并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測頭縱向測量的納米量級分辨力和良好的重復(fù)性。

1 測頭結(jié)構(gòu)與測量系統(tǒng)

光學(xué)非接觸式納米觸發(fā)測頭總體結(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。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計保證測頭系統(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)測頭

光學(xué)非接觸式納米觸發(fā)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(lán)光DVD光學(xué)讀取頭改進(jìn)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(chǔ)搭建的成像光路系統(tǒng)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,由于測頭聚焦透鏡與試樣之間的工作距離極小,單獨(dú)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(guān)系,便無法實(shí)現(xiàn)對樣品待測尺寸的快速對準(zhǔn)對焦,故而本文設(shè)計了觀測模塊彌補(bǔ)上述不足,并經(jīng)過共光路設(shè)計,將兩者結(jié)合為一整體測頭。

圖2 測頭光路示意

測量系統(tǒng)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(fā)測頭由測量與觀測模塊組成,負(fù)責(zé)試樣對準(zhǔn)與測量功能,信息處理采集及測量控制模塊由自行設(shè)計的后級信號處理電路和數(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路信號進(jìn)行差和運(yùn)算、消偏置、歸一化和濾波處理,再通過高速數(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)，并由測量控制軟件的人機(jī)交互界面實(shí)時顯示,操作者可通過交互界面實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)對焦,并通過按鈕指令實(shí)現(xiàn)自動觸發(fā)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(fù)責(zé)快速逼近測頭至微動臺測量行程附近,微動臺負(fù)責(zé)承載試樣進(jìn)行縱向觸發(fā)測量實(shí)驗(yàn)。

圖3 納米觸發(fā)測量系統(tǒng)示意

2 測量原理

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波長的藍(lán)光激光,經(jīng)光柵分為3束光(中間光束測量,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上。光束經(jīng)反射后返回讀取頭內(nèi)部并經(jīng)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(jù)各象限的光強(qiáng)分布,通過內(nèi)部集成光電轉(zhuǎn)換電路得到直流電壓信號,后經(jīng)信號處理電路的和差運(yùn)算得到聚焦誤差信號(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

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

圖5 聚焦誤差信號曲線

2.2 縱向觸發(fā)測量原理

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(qū)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(fā)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(shè)定焦平面附近合理的閾值范圍作為觸發(fā)條件,再對閾值范圍進(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)對應(yīng)縱向坐標(biāo)。通過對試樣頂面與底面觸發(fā)測量得到的兩縱向坐標(biāo)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(fā)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(shí)驗(yàn)為例,縱向觸發(fā)測量示意如圖6所示。

圖6 縱向觸發(fā)測量示意

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)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(nèi)置高精度電容傳感器,實(shí)時監(jiān)測微動臺位置,可達(dá)亞納米級分辨率。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)同的方式提高測量信號信噪比。通過北京阿爾泰數(shù)據(jù)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(nèi)。

圖7 FES噪聲

以臺灣大學(xué)精密加工中心的1 μm階高為待測工件,如圖8所示。對其進(jìn)行10次重復(fù)性縱向觸發(fā)測量實(shí)驗(yàn),其中，1次測量數(shù)據(jù)如圖9所示。10次測量結(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。由測量結(jié)果可以看出,對1 μm階高測量的平均值為0.973 2 μm,測量標(biāo)準(zhǔn)差為18 nm。

圖8 1 μm階高

圖9 1 μm階高測量

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(fā)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該測頭的縱向分辨力優(yōu)于1 nm,重復(fù)性誤差為18 nm,縱向測量范圍由1.6 μm提升到10 μm左右。