CN103712562A - 一种高精度激光微位移传感和定位方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度激光微位移传感和定位方法及装置，通过对两个四象限探测器进行差动探测，然后将差动探测的输出电压信号转换成一个截断差动聚焦误差信号，即一个截断差动聚焦误差信号对应一个位移量，完成将两个四象限探测器探测的电压信号转换为一个截断差动聚焦误差信号的转换，使一个位移量对应一个截断差动聚焦误差信号，并通过最小二乘拟合，得到对应关系函数，最后通过电压信号和位移量的转换，实现三维面型的测量，其测量数据准确，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量领域，具体是一种高精度激光微位移传感和定位方法及装置。
背景技术
随着半导体、微机电系统、微光学系统等先进制造领域不断的微型化和精密化，具有高速度、高分辨率和高精度的精密测量技术给先进制造领域的工艺和水平提供了有力的分析工具，因而得到了快速的发展。其中，非接触式的光学精密测量技术由于无接触、无破坏的优点得到广泛应用，并已经研究出基于离焦法、临界角法、共焦法和像散法等原理的光学传感测量系统。以上技术均是通过将位移量转化成电压信号来实现精密测量，但是位移量和电压信号并非单调关系，因此造成在电压信号范围内的位移量判断不准，给精密位移测量和高精度定位带来了很大的麻烦。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高精度激光微位移传感和定位方法及装置，通过创新性的电压信号改进方法，实现了位移量和电压信号的单调关系，避免了由于位移量误判导致的位移测量误差和定位不准的问题。
本发明的技术方案为：
一种高精度激光微位移传感和定位方法，包括以下步骤：
（1）、激光束依次经过准直扩束、起偏器后成为p偏振光，p偏振光通过偏振分光棱镜成为测量光束，测量光束经过1/4波片后被物镜聚焦在被测样品的表面上；被测样品表面反射的光束再次通过物镜和1/4波片后，测量光束由p偏振光变为s偏振光，然后被偏振分光棱镜反射进入像散透镜，透过像散透镜的光束再被光程差棱镜分成两束，两束光分别用两个四象限探测器来探测，由于光程差棱镜使两束光束的光程不等，因此两束光经过像散透镜的成像点分别落在两个四象限探测器的前方和后方，形成差动探测，两个四象限探测器的输出信号通过信号处理单元进行处理；
（2）、像散透镜在子午方向和弧矢方向（相互垂直的两个方向）由于焦距不同，导致被测面的反射光束在四象限探测器上的聚焦光斑形状由于被测面位移的变化而相应地变化，如图2所示；当被测面准确对焦时，四象限探测器上的聚焦光斑形状为圆形；当被测面离焦时，四象限探测器上的聚焦光斑形状为椭圆形，其中远焦和近焦处的椭圆相互垂直；见图4，两个四象限探测器形成的差动聚焦误差信号DFES = FES1-FES2 = [(A1+C1)-(B1+D1)]/(A1+C1+B1+D1)- [(A2+C2)-(B2+D2)]/(A2+C2+B2+D2)；其中，FES1、FES2分别是两个四象限探测器运算得到的聚焦误差信号（见图3），A1、B1、C1、D1是一个四象限探测器的四个象限的输出信号，A2、B2、C2、D2是另一个四象限探测器的四个象限的输出信号；通过差动技术，大大提高了位移测量的灵敏度和精度；
（3）、见图5和图6，信号处理单元在四象限探测器四个象限的和信号中，设定一个阈值：当和信号大于该阈值时，将门信号设为1；反之，将门信号设为0；见图7，然后信号处理单元将门信号和差动聚焦误差信号做逻辑“与”运算，得到截断差动聚焦误差信号，截断差动聚焦误差信号在其动态范围a内具有唯一零点，即截断差动聚焦误差信号与位移量具有单调性，一个截断差动聚焦误差信号对应一个位移量，完成将两个四象限探测器探测的电压信号转换为一个截断差动聚焦误差信号的转换，使一个位移量对应一个截断差动聚焦误差信号；
（4）、变换Z轴位移量，使经过物镜聚焦后的激光束由远及近地靠近被测样品的表面，并同时采集截断差动聚焦误差信号和Z轴位移量，直至整个截断差动聚焦误差信号的动态范围全部采集完毕；然后对截断差动聚焦误差信号和Z轴位移量做最小二乘拟合，得到对应关系函数；
（5）、对被测样品表面进行X和Y方向的扫描，并同时采集电压信号和X、Y位置的坐标；然后根据关系函数将每一个扫描点X、Y坐标的电压信号转化为Z轴位移量，就得到了被测样品表面的三维面型。
一种高精度激光微位移传感和定位装置，包括有激光二极管，相对激光二极管输出端设置的聚焦透镜，顺次设置于聚焦透镜后端的准直透镜、起偏器和偏振分光棱镜，顺次设置于偏振分光棱镜透射输出端后的1/4波片和物镜，顺次设置于偏振分光棱镜反射输出端后的像散透镜和光程差棱镜，设置于光程差棱镜光束输出端后的第一四象限探测器和第二四象限探测器，以及用于检测处理第一四象限探测器和第二四象限探测器输出信号的信号处理单元；其中，所述的物镜相对被测样品待测面设置。
所述的光程差棱镜是由一个立方体分光棱镜和一个直角棱镜胶合而成，直角棱镜的一直角面胶合于立方体分光棱镜的一正方形面上，所述的立方体分光棱镜的输入面相对像散透镜设置，立方体分光棱镜的透射输出端相对第二四象限探测器设置，直角棱镜的另一直角面相对第一四象限探测器设置。
所述的高精度激光微位移传感和定位装置还包括有用于固定并调整激光光束相对被测样品表面位移量的三维工作台。
本发明通过对两个四象限探测器进行差动探测，然后将差动探测的输出电压信号转换成一个截断差动聚焦误差信号，即一个截断差动聚焦误差信号对应一个位移量，完成将两个四象限探测器探测的电压信号转换为一个截断差动聚焦误差信号的转换，使一个位移量对应一个截断差动聚焦误差信号，并通过最小二乘拟合，得到对应关系函数，最后通过电压信号和位移量的转换，实现三维面型的测量，其测量数据准确，测量精度高。
附图说明
图1是本发明高精度激光微位移传感和定位方法装置的测量原理图。
图2是本发明四象限探测器的光斑变化图。
图3是本发明聚焦误差信号随位移量的曲线图。
图4是本发明差动聚焦误差信号随位移量的曲线图。
图5是本发明四象限探测器四个象限的和信号随位移量的曲线图。
图6是本发明四象限探测器四个象限的门信号随位移量的曲线图。
图7是本发明截断差动聚焦误差信号随位移量的曲线图。
图8是利用本发明高精度激光微位移传感和定位方法装置对晶圆表面三维面型进行测量的结构示意图。
图9是利用本发明高精度激光微位移传感和定位方法装置对高精度转盘的径向偏移和表面震动进行测量的结构示意图。
具体实施方式
见图1，一种高精度激光微位移传感和定位装置，包括有激光二极管1，相对激光二极管1输出端设置的聚焦透镜2，顺次设置于聚焦透镜1后端的准直透镜3、起偏器4和偏振分光棱镜5，顺次设置于偏振分光棱镜5透射输出端后的1/4波片6和物镜7，顺次设置于偏振分光棱镜5反射输出端后的像散透镜9和光程差棱镜10，设置于光程差棱镜10光束输出端后的第一四象限探测器11和第二四象限探测器12，用于检测处理第一四象限探测器11和第二四象限探测器12输出信号的信号处理单元13，以及用于固定并调整激光光束相对被测样品表面位移量的三维工作台14（见图8）；其中，物镜7相对被测样品8待测面设置，光程差棱镜10是由一个立方体分光棱镜和一个直角棱镜胶合而成，直角棱镜的一直角面胶合于立方体分光棱镜的一正方形面上，立方体分光棱镜的输入面相对像散透镜9设置，立方体分光棱镜的透射输出端相对第二四象限探测器12设置，直角棱镜的另一直角面相对第一四象限探测器11设置。
实施例1
见图1和图8，一种对晶圆表面三维面型进行高精度激光微位移传感和定位方法，包括以下步骤：
（1）、激光二极管1发出的激光束经过聚焦透镜2和准直透镜3的准直扩束后，通过起偏器4成为p偏振光，p偏振光通过偏振分光棱镜5成为测量光束，测量光束经过1/4波片6后被物镜7聚焦在被测样品8的表面上；被测样品8表面反射的光束再次通过物镜7和1/4波片6后，测量光束由p偏振光变为s偏振光，然后被偏振分光棱镜5反射进入像散透镜9，透过像散透镜9的光束再被光程差棱镜10分成两束，两束光分别用第一四象限探测器11和第二四象限探测器12来探测，由于光程差棱镜使两束光束的光程不等，因此两束光经过像散透镜9的成像点分别落在两个四象限探测器的前方和后方，形成差动探测，两个四象限探测器的输出信号通过信号处理单元13进行处理；
（2）、像散透镜9在子午方向和弧矢方向（相互垂直的两个方向）由于焦距不同，导致被测面的反射光束在四象限探测器上的聚焦光斑形状由于被测面位移的变化而相应地变化，如图2所示；当被测面准确对焦时，四象限探测器上的聚焦光斑形状为圆形；当被测面离焦时，四象限探测器上的聚焦光斑形状为椭圆形，其中远焦和近焦处的椭圆相互垂直；见图4，两个四象限探测器形成的差动聚焦误差信号DFES = FES1-FES2 = [(A1+C1)-(B1+D1)]/(A1+C1+B1+D1)- [(A2+C2)-(B2+D2)]/(A2+C2+B2+D2)；其中，FES1、FES2分别是两个四象限探测器运算得到的聚焦误差信号（见图3），A1、B1、C1、D1是一个四象限探测器的四个象限的输出信号，A2、B2、C2、D2是另一个四象限探测器的四个象限的输出信号；通过差动技术，大大提高了位移测量的灵敏度和精度；
（3）、见图5和图6，信号处理单元在四象限探测器四个象限的和信号中，设定一个阈值：当和信号大于该阈值时，将门信号设为1；反之，将门信号设为0；见图7，然后信号处理单元将门信号和差动聚焦误差信号做逻辑“与”运算，得到截断差动聚焦误差信号，截断差动聚焦误差信号在其动态范围内具有唯一零点，即截断差动聚焦误差信号与位移量具有单调性，一个截断差动聚焦误差信号对应一个位移量，完成将两个四象限探测器探测的电压信号转换为一个截断差动聚焦误差信号的转换，使一个位移量对应一个截断差动聚焦误差信号；
（4）、见图8，调整三维工作台14的X轴和Y轴，使高精度激光微位移传感和定位装置15的探测激光束位于晶圆16表面的测量范围内；然后调整三维工作台14的Z轴高度，使高精度激光微位移传感和定位装置15由远及近地靠近晶圆16的表面，并同时采集截断差动聚焦误差信号和Z轴位移量，直至整个截断差动聚焦误差信号的动态范围a全部采集完毕；最后对截断差动聚焦误差信号和Z轴位移量做最小二乘拟合，得到对应关系函数；
（5）、对晶圆16表面进行X和Y方向的扫描，并同时采集电压信号和X、Y位置的坐标；然后根据关系函数将每一个扫描点X、Y坐标的电压信号转化为Z轴位移量，就得到了晶圆16表面的三维面型。
实施例2
见图1和图9，一种高精度转盘的径向偏移和表面震动进行高精度激光微位移传感和定位方法，步骤（1）-（3）同实施例1，步骤（4）-（5）如下所述：
（4）、沿着高精度旋转台17的表面震动方向和径向偏移方向分别安装一个高精度激光微位移传感和定位装置15；将高精度激光微位移传感和定位装置15由远及近地靠近各自的被测面，并同时截断差动聚焦误差信号和位移量，直至整个截断差动聚焦误差信号的动态范围a全部采集完毕；在测量信号的动态范围内，对截断差动聚焦误差信号和位移量做最小二乘拟合，得到各自的对应关系函数；
（5）、调整两个高精度激光微位移传感和定位装置15的位移，使得被测面进入各自测量信号的动态范围a内，然后固定两个高精度激光微位移传感和定位装置15；然后让高精度旋转台17以设定的运动参数进行旋转，并同时记录两个高精度激光微位移传感和定位装置15的截断差动聚焦误差信号；最后，测量结束后，通过截断差动聚焦误差信号和位移量得到两个对应关系函数，根据对应的关系函数将截断差动聚焦误差信号转化为位移量，就得到了高精度旋转台17在设定的运动参数下的径向偏移和表面震动的大小。
Claims (4)
1.一种高精度激光微位移传感和定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、激光束依次经过准直扩束、起偏器后成为p偏振光，p偏振光通过偏振分光棱镜成为测量光束，测量光束经过1/4波片后被物镜聚焦在被测样品的表面上；被测样品表面反射的光束再次通过物镜和1/4波片后，测量光束由p偏振光变为s偏振光，然后被偏振分光棱镜反射进入像散透镜，透过像散透镜的光束再被光程差棱镜分成两束，两束光分别用两个四象限探测器来探测，由于光程差棱镜使两束光束的光程不等，因此两束光经过像散透镜的成像点分别落在两个四象限探测器的前方和后方，形成差动探测，两个四象限探测器的输出信号通过信号处理单元进行处理；
（2）、两个四象限探测器形成的差动聚焦误差信号DFES = FES1-FES2 = [(A1+C1)-(B1+D1)]/(A1+C1+B1+D1)- [(A2+C2)-(B2+D2)]/(A2+C2+B2+D2)；其中，FES1、FES2分别是两个四象限探测器运算得到的聚焦误差信号，A1、B1、C1、D1是一个四象限探测器的四个象限的输出信号，A2、B2、C2、D2是另一个四象限探测器的四个象限的输出信号；
（3）、信号处理单元在四象限探测器四个象限的和信号中，设定一个阈值：当和信号大于该阈值时，将门信号设为1；反之，将门信号设为0；然后信号处理单元将门信号和差动聚焦误差信号做逻辑“与”运算，得到截断差动聚焦误差信号，截断差动聚焦误差信号在其动态范围内具有唯一零点，即截断差动聚焦误差信号与位移量具有单调性，一个截断差动聚焦误差信号对应一个位移量，完成将两个四象限探测器探测的电压信号转换为一个截断差动聚焦误差信号的转换，使一个位移量对应一个截断差动聚焦误差信号；
（4）、变换Z轴位移量，使经过物镜聚焦后的激光束由远及近地靠近被测样品的表面，并同时采集截断差动聚焦误差信号和Z轴位移量，直至整个截断差动聚焦误差信号的动态范围全部采集完毕；然后对截断差动聚焦误差信号和Z轴位移量做最小二乘拟合，得到对应关系函数；
（5）、对被测样品表面进行X和Y方向的扫描，并同时采集电压信号和X、Y位置的坐标；然后根据关系函数将每一个扫描点X、Y坐标的电压信号转化为Z轴位移量，就得到了被测样品表面的三维面型。
2.一种高精度激光微位移传感和定位装置，其特征在于：包括有激光二极管，相对激光二极管输出端设置的聚焦透镜，顺次设置于聚焦透镜后端的准直透镜、起偏器和偏振分光棱镜，顺次设置于偏振分光棱镜透射输出端后的1/4波片和物镜，顺次设置于偏振分光棱镜反射输出端后的像散透镜和光程差棱镜，设置于光程差棱镜光束输出端后的第一四象限探测器和第二四象限探测器，以及用于检测处理第一四象限探测器和第二四象限探测器输出信号的信号处理单元；其中，所述的物镜相对被测样品待测面设置。
3.根据权利要求2所述的一种高精度激光微位移传感和定位装置，其特征在于：所述的光程差棱镜是由一个立方体分光棱镜和一个直角棱镜胶合而成，直角棱镜的一直角面胶合于立方体分光棱镜的一正方形面上，所述的立方体分光棱镜的输入面相对像散透镜设置，立方体分光棱镜的透射输出端相对第二四象限探测器设置，直角棱镜的另一直角面相对第一四象限探测器设置。
4.根据权利要求2所述的一种高精度激光微位移传感和定位装置，其特征在于：所述的高精度激光微位移传感和定位装置还包括有用于固定并调整激光光束相对被测样品表面位移量的三维工作台。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140409 |