基于蓝光DVD光学读取头的纳米触发测头*

陈建国, 陈欣磊, 许 健, 程荣俊, 张连生, 黄强先

(合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

微纳米加工技术和微电子技术在数十年来不断迅猛发展,应运而生的是诸多几何尺寸在微纳米量级的微型器件,如微机电系统(MEMS)器件[1]。为了应对微尺寸元器件关键尺寸的精准测量,精度可达微纳米量级的三坐标测量装置应运而生。按测头工作方式的不同,可分为接触式测头和非接触式测头。接触式测头是测头部分与被测件直接进行触碰,并在达到触发条件时采集触碰点三维坐标信息。该测头具有分辨力高、重复性好等优点,但由于测量力的存在,容易因测杆、测头和试样的形变引入测量误差,甚至损坏柔性材质试样表面。非接触式测头则是采用非接触的方式对被测器件进行测量,捕捉采集被测样品表面三维尺寸信息[2～4]。相对于接触式测头最大的优势是无测量力存在,在测量过程中不会引入测量误差,也不会对于柔性材质或精密微结构试样造成损坏。且非接触式测头测量速度快,效率高。故而非接触式测头适用于微型元器件表面关键尺寸的微纳米量级测量。

光学读取头具有低成本、高集成度、高精度和高分辨力的特性,已广泛应用于阶高、线宽、孔径和微小角度的非接触测量[5～8]。其中传统光学读取头纵向测量的原理是通过标定测头内部聚焦误差曲线的线性区间来用于试样高度的测量[9],故而线性区间的大小直接影响测头纵向测量范围。随着光学非接触纳米测量的发展,光学读取头聚焦透镜的数值孔径(numerical aperture,NA)制约其纵向分辨力的进一步提升。选用高NA值透镜带来更高精度与分辨力的同时也会造成聚焦误差曲线的线性区间骤减,导致测头纵向测量行程大幅降低,适用性大大降低。

本文基于蓝光DVD光学读取头改进研发了一种非接触式触发测头,既提高了测量精度与分辨力,又扩大了纵向测量行程,保证了测头的适用性。基于纵向触发测量理论,设计搭建测头系统,并通过实验验证了测头纵向测量的纳米量级分辨力和良好的重复性。

1 测头结构与测量系统

光学非接触式纳米触发测头总体结构如图1所示,主要由蓝光DVD光学读取头、光学调整架、互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)传感器、白光光源、分光棱镜、聚焦物镜、物镜调整架、微调旋钮和光学元件固定盒体组成。通过机械结构设计保证测头系统的集成性、稳定性和光路调节的便捷性。

图1 纳米触发测头

光学非接触式纳米触发测头光路示意如图2所示,主要由测量模块和观测模块组成。测量模块是基于蓝光DVD光学读取头改进研制的。观测模块则是以CMOS传感器与平行同轴白光光源为基础搭建的成像光路系统。在实际实验中,由于测头聚焦透镜与试样之间的工作距离极小,单独的测量模块无法观察激光光束与待测样品表面的相对位置关系,便无法实现对样品待测尺寸的快速对准对焦,故而本文设计了观测模块弥补上述不足,并经过共光路设计,将两者结合为一整体测头。

图2 测头光路示意

测量系统示意如图3所示,由观测模块、测量模块、信息处理采集及测量控制模块和宏微位移定位模块4个部分组成。其中，触发测头由测量与观测模块组成,负责试样对准与测量功能,信息处理采集及测量控制模块由自行设计的后级信号处理电路和数据采集卡和工控机组成,主要功能是将读取头输出4路信号进行差和运算、消偏置、归一化和滤波处理,再通过高速数据采集卡模数转换与数字滤波(中值平均滤波)传输至工控机，并由测量控制软件的人机交互界面实时显示,操作者可通过交互界面实现对准对焦,并通过按钮指令实现自动触发测量。宏微位移定位模块是由三维宏位移定位平台、三维微位移定位平台和宏微动台控制器组成,其中宏动台负责快速逼近测头至微动台测量行程附近,微动台负责承载试样进行纵向触发测量实验。

图3 纳米触发测量系统示意

2 测量原理

2.1 光学读取头原理

蓝光DVD光学读取头内部结构示意如图4所示。其工作原理:由激光二极管出射405 nm波长的蓝光激光,经光栅分为3束光(中间光束测量,两侧光束循轨),再经分光棱镜、准直透镜和圆柱透镜聚焦在光盘上。光束经反射后返回读取头内部并经原光路透过分光棱镜透射到像散透镜,再入射到四象限探测器上[10～12]。由于像散透镜的像散原理(即子午焦距与弧矢焦距不同)[13～15],光盘离焦情况的不同会使入射在四象限探测器上的光斑形状不同。探测器根据各象限的光强分布,通过内部集成光电转换电路得到直流电压信号,后经信号处理电路的和差运算得到聚焦误差信号(focus error signal,FES)(A+C)-(B+D)。

图4 光学读取头内部结构示意

聚焦误差信号曲线如图5所示,当光盘位于离焦情况一或情况二时,反射回读取头的光束经过像散透镜照射在四象限探测器上都会呈现椭圆形状；当其位于焦平面时则是圆形。传统光学读取头的测量即是利用FES曲线线性区间的高分辨力和高精度,对其进行标定,得到纵向坐标信息与FES值的对应关系,利用该种关系进行纵向高度测量。

图5 聚焦误差信号曲线

2.2 纵向触发测量原理

由于聚焦透镜NA值的大小影响光学读取头纵向测量的分辨力和精度。高NA值在给测头带来高分辨力的同时也会使FES的线性区间急剧减小,极大限制了测头的适用性。针对此难题,本文提出一种纵向触发测量原理:利用FES曲线离焦平面越近,拟合残差越小的特性,设定焦平面附近合理的阈值范围作为触发条件,再对阈值范围进行一次线性拟合得出预设触发点(FES为0,即焦点位置)对应纵向坐标。通过对试样顶面与底面触发测量得到的两纵向坐标的差值即为测得的试样高度值。此种方法既利用高NA值(NA为0.9)透镜测头的高精度和高分辨力,又通过触发测量的方式解除了高NA值带来低测量行程的限制,提高了测头的适用性。以阶高测量实验为例,纵向触发测量示意如图6所示。

图6 纵向触发测量示意

3 实验验证

为验证测头纵向测量性能,选用德国PI公司的一种LISA线性平台为Z向微位移定位平台,内置高精度电容传感器,实时监测微动台位置,可达亚纳米级分辨率。在闭环条件下,其最大位移量为15 μm,最小位移分辨率为0.1 nm,重复性定位误差优于1 nm。

本文采用硬件电路滤波与数字滤波软硬协同的方式提高测量信号信噪比。通过北京阿尔泰数据采集卡(PCI—8622)采集测量信号,如图7所示,FES的噪声峰峰值在1.4 mV以内。

图7 FES噪声

以台湾大学精密加工中心的1 μm阶高为待测工件,如图8所示。对其进行10次重复性纵向触发测量实验,其中，1次测量数据如图9所示。10次测量结果分别为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；测得触发阈值范围(±2 500 mV)的线性区间为0.9 μm,得出灵敏度约为5.56 mV/nm。由测量结果可以看出,对1 μm阶高测量的平均值为0.973 2 μm,测量标准差为18 nm。

图8 1 μm阶高

图9 1 μm阶高测量

4 结 论

本文基于蓝光DVD光学读取头改装研制了一种纳米触发测头,既利用高NA值透镜测头的高精度和高分辨力,又通过触发测量的方式解除了高NA值带来低测量行程的限制,提高了测头的适用性。实验结果表明：该测头的纵向分辨力优于1 nm,重复性误差为18 nm,纵向测量范围由1.6 μm提升到10 μm左右。