微器件表面3D形貌的新型微/纳米探头测量系统

　　引　言

　　随着微细加工技术的不断进步,微光学元件、微机械以及其它各种微结构产品不断出现,对微结构表面形貌测量系统的需求迫切,微结构是由微观结构单元组成的三维复杂结构,其测量一般都需要借助直接的或间接的显微放大,要求有较高的横向分辨率和纵向分辨率[1]。表面形貌的测量方法可归纳为:机械探针式测量方法,光学探针式测量方法,干涉显微测量方法,扫描电子显微镜(SEM)测量方法,扫描探针显微镜(SPM)测量方法。其中,机械探针采用接触测量,易损坏被测物;SPM测量精度高,纵向及横向分辨率达原子量级,但测量范围小且涉及的技术难题多;SEM比较适合定性的测量;干涉显微镜一般适宜测量微米或亚微米量级的微结构;光学探针可实现非接触测量。本文采用的DVD激光读取头本身就是结合了光、机、电技术的微器件,采用象散原理,通过对离焦误差信号的检测与控制,形成新型的精确测量微器件3D表面轮廓的微/纳米级光学探针测量系统。

　　1　DVD激光读取头

　　如图1所示,激光二极管在加电以后发射约为0.5 mW的红激光光束,经光栅衍射后形成检测光,再经分光镜、反射镜,准直透镜,将激光束变成准直光束。准直光束经过全息透镜之后,在被测件上形成检测的聚焦光学焦点,反射的光束沿原光路再经过准直透镜、反射镜和分光镜后穿越柱面像散透镜投射到四象限光电二极管传感器,四象限光电二极管传感器根据光点在四个象限上的分布,输出四象限电压信号A、B、C、D。以被测件为反射面,当音圈马达将固定其上的全息透镜推到反射面位于焦点位置时,四象限光电二极管传感器上的成像光点是圆形的,以(A+C)-(B+D)表征的失焦信号为零;当反射面处于离焦位置时,输出的四象限失焦信号不为零。此不为零的失焦信号通过运算以及DSP系统的信号处理,最终驱动音圈马达并控制测头光学焦点始终锁定于被测件表面,处于正焦位置,实现自动聚集的功能,当精密平台移动时,由四象限检测出的信号可以得到被测件表面的高低形貌。测量系统原理如图2所示。

　　2　音圈马达

　　DVD激光读取头中,弹簧系统用于承载聚焦物镜、马达线圈及绕线框架,还提供弹性恢复力与音圈马达磁力做平衡,是读取头中的机械系统部分,以标准的二阶阻尼系统来模拟其机械系统参数。音圈马达的二阶阻尼系统存在相位滞后因素的影响,需要对其应用PID控制以提高增益,实现相位补偿以及减少稳态误差,使系统测量时能够快速响应[2]。

　　3　FES曲线与伺服FES曲线的特性与测量

　　如图3所示,当反射面位于聚焦位置(平面2)时,在四象限光传感器上的成像点是圆形的,四象限失焦信号(A+C)-(B+D)输出为零,当反射面处于离焦位置(平面1,平面3)时,输出的四象限失焦信号不为零,经过信号处理,可得到失焦误差信号的S曲线。在自动聚焦的过程中,如图4,当探头沿着台阶1~3移动时,若台阶反射面不在焦平面,则无论是逼近或远离物镜,都会使失焦信号输出一个不为零的值,这个值经过DSP处理器编写好的控制法则处理后,输出控制电压回去驱动音圈马达,使物镜朝失焦信号为零的方向移动,最后与弹簧达成力平衡,物镜停止在失焦信号为零的位置上。此时维持物镜不动的电压信号,即为音圈马达的驱动电压信号(Servo-FES)。