一種高精度激光微位移傳感和定位方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高精度激光微位移傳感和定位方法及裝置，通過對兩個四象限探測器進行差動探測，然后將差動探測的輸出電壓信號轉(zhuǎn)換成一個截斷差動聚焦誤差信號，即一個截斷差動聚焦誤差信號對應(yīng)一個位移量，完成將兩個四象限探測器探測的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個截斷差動聚焦誤差信號的轉(zhuǎn)換，使一個位移量對應(yīng)一個截斷差動聚焦誤差信號，并通過最小二乘擬合，得到對應(yīng)關(guān)系函數(shù)，最后通過電壓信號和位移量的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)三維面型的測量，其測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，測量精度高。
【專利說明】一種高精度激光微位移傳感和定位方法及裝置
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及光學(xué)測量領(lǐng)域，具體是一種高精度激光微位移傳感和定位方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著半導(dǎo)體、微機電系統(tǒng)、微光學(xué)系統(tǒng)等先進制造領(lǐng)域不斷的微型化和精密化，具有高速度、高分辨率和高精度的精密測量技術(shù)給先進制造領(lǐng)域的工藝和水平提供了有力的分析工具，因而得到了快速的發(fā)展。其中，非接觸式的光學(xué)精密測量技術(shù)由于無接觸、無破壞的優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用，并已經(jīng)研究出基于離焦法、臨界角法、共焦法和像散法等原理的光學(xué)傳感測量系統(tǒng)。以上技術(shù)均是通過將位移量轉(zhuǎn)化成電壓信號來實現(xiàn)精密測量，但是位移量和電壓信號并非單調(diào)關(guān)系，因此造成在電壓信號范圍內(nèi)的位移量判斷不準(zhǔn)，給精密位移測量和高精度定位帶來了很大的麻煩。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高精度激光微位移傳感和定位方法及裝置，通過創(chuàng)新性的電壓信號改進方法，實現(xiàn)了位移量和電壓信號的單調(diào)關(guān)系，避免了由于位移量誤判導(dǎo)致的位移測量誤差和定位不準(zhǔn)的問題。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種高精度激光微位移傳感和定位方法，包括以下步驟:
(1)、激光束依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴束、起偏器后成為P偏振光，P偏振光通過偏振分光棱鏡成為測量光束，測量光束經(jīng)過1/4波片后被物鏡聚焦在被測樣品的表面上；被測樣品表面反射的光束再次通過物鏡和1/4波片后，測量光束由P偏振光變?yōu)閟偏振光，然后被偏振分光棱鏡反射進入像散透鏡，透過像散透鏡的光束再被光程差棱鏡分成兩束，兩束光分別用兩個四象限探測器來探測，由于光程差棱鏡使兩束光束的光程不等，因此兩束光經(jīng)過像散透鏡的成像點分別落在兩個四象限探測器的前方和后方，形成差動探測，兩個四象限探測器的輸出信號通過信號處理單元進行處理；
(2)、像散透鏡在子午方向和弧矢方向(相互垂直的兩個方向)由于焦距不同，導(dǎo)致被測面的反射光束在四象限探測器上的聚焦光斑形狀由于被測面位移的變化而相應(yīng)地變化，如圖2所示；當(dāng)被測面準(zhǔn)確對焦時，四象限探測器上的聚焦光斑形狀為圓形；當(dāng)被測面離焦時，四象限探測器上的聚焦光斑形狀為橢圓形，其中遠焦和近焦處的橢圓相互垂直；見圖4，兩個四象限探測器形成的差動聚焦誤差信號DFES = FES1-FES2 = [ (A1+C1) - (B1+D1) ] /(A1+C1+B1+D1)- [ (A2+C2) - (B2+D2) ] / (A2+C2+B2+D2);其中，F(xiàn)ES1、FES2 分別是兩個四象限探測器運算得到的聚焦誤差信號(見圖3)，Al、B1、Cl、Dl是一個四象限探測器的四個象限的輸出信號，A2、B2、C2、D2是另一個四象限探測器的四個象限的輸出信號；通過差動技術(shù)，大大提高了位移測量的靈敏度和精度；
(3)、見圖5和圖6，信號處理單元在四象限探測器四個象限的和信號中，設(shè)定一個閾值:當(dāng)和信號大于該閾值時，將門信號設(shè)為I ;反之，將門信號設(shè)為O ;見圖7，然后信號處理單元將門信號和差動聚焦誤差信號做邏輯“與”運算，得到截斷差動聚焦誤差信號，截斷差動聚焦誤差信號在其動態(tài)范圍a內(nèi)具有唯一零點，即截斷差動聚焦誤差信號與位移量具有單調(diào)性，一個截斷差動聚焦誤差信號對應(yīng)一個位移量，完成將兩個四象限探測器探測的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個截斷差動聚焦誤差信號的轉(zhuǎn)換，使一個位移量對應(yīng)一個截斷差動聚焦誤差?目號;
(4)、變換Z軸位移量，使經(jīng)過物鏡聚焦后的激光束由遠及近地靠近被測樣品的表面，并同時采集截斷差動聚焦誤差信號和Z軸位移量，直至整個截斷差動聚焦誤差信號的動態(tài)范圍全部采集完畢；然后對截斷差動聚焦誤差信號和Z軸位移量做最小二乘擬合，得到對應(yīng)關(guān)系函數(shù)；
(5)、對被測樣品表面進行X和Y方向的掃描，并同時采集電壓信號和Χ、Υ位置的坐標(biāo)；然后根據(jù)關(guān)系函數(shù)將每一個掃描點X、Y坐標(biāo)的電壓信號轉(zhuǎn)化為Z軸位移量，就得到了被測樣品表面的三維面型。
[0006]—種高精度激光微位移傳感和定位裝置，包括有激光二極管，相對激光二極管輸出端設(shè)置的聚焦透鏡，順次設(shè)置于聚焦透鏡后端的準(zhǔn)直透鏡、起偏器和偏振分光棱鏡，順次設(shè)置于偏振分光棱鏡透射輸出端后的1/4波片和物鏡，順次設(shè)置于偏振分光棱鏡反射輸出端后的像散透鏡和光程差棱鏡，設(shè)置于光程差棱鏡光束輸出端后的第一四象限探測器和第二四象限探測器，以及用于檢測處理第一四象限探測器和第二四象限探測器輸出信號的信號處理單元；其中，所述的物鏡相對被測樣品待測面設(shè)置。
[0007]所述的光程差棱鏡是由一個立方體分光棱鏡和一個直角棱鏡膠合而成，直角棱鏡的一直角面膠合于立方體分光棱鏡的一正方形面上，所述的立方體分光棱鏡的輸入面相對像散透鏡設(shè)置，立方體分光棱鏡的透射輸出端相對第二四象限探測器設(shè)置，直角棱鏡的另一直角面相對第一四象限探測器設(shè)置。
[0008]所述的高精度激光微位移傳感和定位裝置還包括有用于固定并調(diào)整激光光束相對被測樣品表面位移量的三維工作臺。
[0009]本發(fā)明通過對兩個四象限探測器進行差動探測，然后將差動探測的輸出電壓信號轉(zhuǎn)換成一個截斷差動聚焦誤差信號，即一個截斷差動聚焦誤差信號對應(yīng)一個位移量，完成將兩個四象限探測器探測的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個截斷差動聚焦誤差信號的轉(zhuǎn)換，使一個位移量對應(yīng)一個截斷差動聚焦誤差信號，并通過最小二乘擬合，得到對應(yīng)關(guān)系函數(shù)，最后通過電壓信號和位移量的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)三維面型的測量，其測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，測量精度高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明高精度激光微位移傳感和定位方法裝置的測量原理圖。
[0011]圖2是本發(fā)明四象限探測器的光斑變化圖。
[0012]圖3是本發(fā)明聚焦誤差信號隨位移量的曲線圖。
[0013]圖4是本發(fā)明差動聚焦誤差信號隨位移量的曲線圖。
[0014]圖5是本發(fā)明四象限探測器四個象限的和信號隨位移量的曲線圖。[0015]圖6是本發(fā)明四象限探測器四個象限的門信號隨位移量的曲線圖。
[0016]圖7是本發(fā)明截斷差動聚焦誤差信號隨位移量的曲線圖。
[0017]圖8是利用本發(fā)明高精度激光微位移傳感和定位方法裝置對晶圓表面三維面型進行測量的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖9是利用本發(fā)明高精度激光微位移傳感和定位方法裝置對高精度轉(zhuǎn)盤的徑向偏移和表面震動進行測量的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0019]見圖1，一種高精度激光微位移傳感和定位裝置，包括有激光二極管I，相對激光二極管I輸出端設(shè)置的聚焦透鏡2，順次設(shè)置于聚焦透鏡I后端的準(zhǔn)直透鏡3、起偏器4和偏振分光棱鏡5,順次設(shè)置于偏振分光棱鏡5透射輸出端后的1/4波片6和物鏡7,順次設(shè)置于偏振分光棱鏡5反射輸出端后的像散透鏡9和光程差棱鏡10,設(shè)置于光程差棱鏡10光束輸出端后的第一四象限探測器11和第二四象限探測器12，用于檢測處理第一四象限探測器11和第二四象限探測器12輸出信號的信號處理單元13，以及用于固定并調(diào)整激光光束相對被測樣品表面位移量的三維工作臺14 (見圖8);其中，物鏡7相對被測樣品8待測面設(shè)置，光程差棱鏡10是由一個立方體分光棱鏡和一個直角棱鏡膠合而成,直角棱鏡的一直角面膠合于立方體分光棱鏡的一正方形面上，立方體分光棱鏡的輸入面相對像散透鏡9設(shè)置，立方體分光棱鏡的透射輸出端相對第二四象限探測器12設(shè)置，直角棱鏡的另一直角面相對第一四象限探測器11設(shè)置。
[0020]實施例1
見圖1和圖8，一種對晶圓表面三維面型進行高精度激光微位移傳感和定位方法，包括以下步驟:
(1)、激光二極管I發(fā)出的激光束經(jīng)過聚焦透鏡2和準(zhǔn)直透鏡3的準(zhǔn)直擴束后，通過起偏器4成為P偏振光,P偏振光通過偏振分光棱鏡5成為測量光束,測量光束經(jīng)過1/4波片6后被物鏡7聚焦在被測樣品8的表面上；被測樣品8表面反射的光束再次通過物鏡7和1/4波片6后,測量光束由P偏振光變?yōu)閟偏振光,然后被偏振分光棱鏡5反射進入像散透鏡9，透過像散透鏡9的光束再被光程差棱鏡10分成兩束，兩束光分別用第一四象限探測器11和第二四象限探測器12來探測，由于光程差棱鏡使兩束光束的光程不等，因此兩束光經(jīng)過像散透鏡9的成像點分別落在兩個四象限探測器的前方和后方，形成差動探測，兩個四象限探測器的輸出信號通過信號處理單元13進行處理；
(2)、像散透鏡9在子午方向和弧矢方向(相互垂直的兩個方向)由于焦距不同，導(dǎo)致被測面的反射光束在四象限探測器上的聚焦光斑形狀由于被測面位移的變化而相應(yīng)地變化，如圖2所示；當(dāng)被測面準(zhǔn)確對焦時，四象限探測器上的聚焦光斑形狀為圓形；當(dāng)被測面離焦時，四象限探測器上的聚焦光斑形狀為橢圓形，其中遠焦和近焦處的橢圓相互垂直；見圖4，兩個四象限探測器形成的差動聚焦誤差信號DFES = FES1-FES2 = [ (A1+C1) - (B1+D1) ] /(A1+C1+B1+D1)- [ (A2+C2) - (B2+D2) ] / (A2+C2+B2+D2);其中，F(xiàn)ES1、FES2 分別是兩個四象限探測器運算得到的聚焦誤差信號(見圖3)，Al、B1、Cl、Dl是一個四象限探測器的四個象限的輸出信號，A2、B2、C2、D2是另一個四象限探測器的四個象限的輸出信號；通過差動技術(shù)，大大提高了位移測量的靈敏度和精度； (3)、見圖5和圖6，信號處理單元在四象限探測器四個象限的和信號中，設(shè)定一個閾值:當(dāng)和信號大于該閾值時，將門信號設(shè)為I ;反之，將門信號設(shè)為O ;見圖7，然后信號處理單元將門信號和差動聚焦誤差信號做邏輯“與”運算，得到截斷差動聚焦誤差信號，截斷差動聚焦誤差信號在其動態(tài)范圍內(nèi)具有唯一零點，即截斷差動聚焦誤差信號與位移量具有單調(diào)性，一個截斷差動聚焦誤差信號對應(yīng)一個位移量，完成將兩個四象限探測器探測的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個截斷差動聚焦誤差信號的轉(zhuǎn)換，使一個位移量對應(yīng)一個截斷差動聚焦誤差信號;
(4)、見圖8，調(diào)整三維工作臺14的X軸和Y軸，使高精度激光微位移傳感和定位裝置15的探測激光束位于晶圓16表面的測量范圍內(nèi)；然后調(diào)整三維工作臺14的Z軸高度，使高精度激光微位移傳感和定位裝置15由遠及近地靠近晶圓16的表面，并同時采集截斷差動聚焦誤差信號和Z軸位移量，直至整個截斷差動聚焦誤差信號的動態(tài)范圍a全部采集完畢；最后對截斷差動聚焦誤差信號和Z軸位移量做最小二乘擬合，得到對應(yīng)關(guān)系函數(shù)；
(5)、對晶圓16表面進行X和Y方向的掃描，并同時采集電壓信號和X、Y位置的坐標(biāo)；然后根據(jù)關(guān)系函數(shù)將每一個掃描點X、Y坐標(biāo)的電壓信號轉(zhuǎn)化為Z軸位移量，就得到了晶圓16表面的三維面型。
[0021] 實施例2
見圖1和圖9，一種高精度轉(zhuǎn)盤的徑向偏移和表面震動進行高精度激光微位移傳感和定位方法，步驟(I) - (3)同實施例1，步驟(4)- (5)如下所述:
(4)、沿著高精度旋轉(zhuǎn)臺17的表面震動方向和徑向偏移方向分別安裝一個高精度激光微位移傳感和定位裝置15 ;將高精度激光微位移傳感和定位裝置15由遠及近地靠近各自的被測面，并同時截斷差動聚焦誤差信號和位移量，直至整個截斷差動聚焦誤差信號的動態(tài)范圍a全部采集完畢；在測量信號的動態(tài)范圍內(nèi)，對截斷差動聚焦誤差信號和位移量做最小二乘擬合，得到各自的對應(yīng)關(guān)系函數(shù)；
(5)、調(diào)整兩個高精度激光微位移傳感和定位裝置15的位移，使得被測面進入各自測量信號的動態(tài)范圍a內(nèi)，然后固定兩個高精度激光微位移傳感和定位裝置15 ;然后讓高精度旋轉(zhuǎn)臺17以設(shè)定的運動參數(shù)進行旋轉(zhuǎn)，并同時記錄兩個高精度激光微位移傳感和定位裝置15的截斷差動聚焦誤差信號；最后，測量結(jié)束后，通過截斷差動聚焦誤差信號和位移量得到兩個對應(yīng)關(guān)系函數(shù)，根據(jù)對應(yīng)的關(guān)系函數(shù)將截斷差動聚焦誤差信號轉(zhuǎn)化為位移量，就得到了高精度旋轉(zhuǎn)臺17在設(shè)定的運動參數(shù)下的徑向偏移和表面震動的大小。
【權(quán)利要求】
1.一種高精度激光微位移傳感和定位方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)、激光束依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴束、起偏器后成為P偏振光，P偏振光通過偏振分光棱鏡成為測量光束，測量光束經(jīng)過1/4波片后被物鏡聚焦在被測樣品的表面上；被測樣品表面反射的光束再次通過物鏡和1/4波片后，測量光束由P偏振光變?yōu)閟偏振光，然后被偏振分光棱鏡反射進入像散透鏡，透過像散透鏡的光束再被光程差棱鏡分成兩束，兩束光分別用兩個四象限探測器來探測，由于光程差棱鏡使兩束光束的光程不等，因此兩束光經(jīng)過像散透鏡的成像點分別落在兩個四象限探測器的前方和后方，形成差動探測，兩個四象限探測器的輸出信號通過信號處理單元進行處理； (2)、兩個四象限探測器形成的差動聚焦誤差信號DFES= FES1-FES2 =[(A1+C1) -(B1+D1) ]/ (A1+C1+B1+D1) - [ (A2+C2) -(B2+D2) ]/ (A2+C2+B2+D2);其中，F(xiàn)ESl、FES2分別是兩個四象限探測器運算得到的聚焦誤差信號，A1、B1、C1、D1是一個四象限探測器的四個象限的輸出信號，A2、B2、C2、D2是另一個四象限探測器的四個象限的輸出信號； (3)、信號處理單元在四象限探測器四個象限的和信號中，設(shè)定一個閾值:當(dāng)和信號大于該閾值時，將門信號設(shè)為I ;反之，將門信號設(shè)為O ;然后信號處理單元將門信號和差動聚焦誤差信號做邏輯“與”運算，得到截斷差動聚焦誤差信號，截斷差動聚焦誤差信號在其動態(tài)范圍內(nèi)具有唯一零點，即截斷差動聚焦誤差信號與位移量具有單調(diào)性，一個截斷差動聚焦誤差信號對應(yīng)一個位移量，完成將兩個四象限探測器探測的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個截斷差動聚焦誤差信號的轉(zhuǎn)換，使一個位移量對應(yīng)一個截斷差動聚焦誤差信號； (4)、變換Z軸位移量，使經(jīng)過物鏡聚焦后的激光束由遠及近地靠近被測樣品的表面，并同時采集截斷差動聚焦誤差信號和Z軸位移量，直至整個截斷差動聚焦誤差信號的動態(tài)范圍全部采集完畢；然后對截斷差動聚焦誤差信號和Z軸位移量做最小二乘擬合，得到對應(yīng)關(guān)系函數(shù)； (5)、對被測樣品表面進行X和Y方向的掃描，并同時采集電壓信號和X、Y位置的坐標(biāo)；然后根據(jù)關(guān)系函數(shù)將每一個掃描點X、Y坐標(biāo)的電壓信號轉(zhuǎn)化為Z軸位移量，就得到了被測樣品表面的三維面型。
2.一種高精度激光微位移傳感和定位裝置，其特征在于:包括有激光二極管，相對激光二極管輸出端設(shè)置的聚焦透鏡，順次設(shè)置于聚焦透鏡后端的準(zhǔn)直透鏡、起偏器和偏振分光棱鏡，順次設(shè)置于偏振分光棱鏡透射輸出端后的1/4波片和物鏡，順次設(shè)置于偏振分光棱鏡反射輸出端后的像散透鏡和光程差棱鏡，設(shè)置于光程差棱鏡光束輸出端后的第一四象限探測器和第二四象限探測器，以及用于檢測處理第一四象限探測器和第二四象限探測器輸出信號的信號處理單元；其中，所述的物鏡相對被測樣品待測面設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高精度激光微位移傳感和定位裝置，其特征在于:所述的光程差棱鏡是由一個立方體分光棱鏡和一個直角棱鏡膠合而成，直角棱鏡的一直角面膠合于立方體分光棱鏡的一正方形面上，所述的立方體分光棱鏡的輸入面相對像散透鏡設(shè)置，立方體分光棱鏡的透射輸出端相對第二四象限探測器設(shè)置，直角棱鏡的另一直角面相對第一四象限探測器設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高精度激光微位移傳感和定位裝置，其特征在于:所述的高精度激光微位移傳感和定位裝置還包括有用于固定并調(diào)整激光光束相對被測樣品表面位移量的三維工作臺。
【文檔編號】G01B11/02GK103712562SQ201310693960
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】董敬濤, 吳周令, 肖剛 申請人:合肥知常光電科技有限公司