高精度激光共焦半导体晶圆厚度测量

针对半导体晶圆厚度的高精度非接触测量问题与需求,提出了基于激光共焦的高精度晶圆厚度测量方法。该方法利用高分辨音圈纳米位移台驱动激光共焦光探针轴向运动扫描,利用激光共焦轴向响应曲线的峰值点对应物镜聚焦焦点的特性,分别对被测晶圆上下表面进行高精度瞄准定位;通过光线追迹算法精确计算出晶圆表面每个采样点的物理坐标,实现了晶圆厚度的高精度非接触测量。基于该方法构建了激光共焦半导体晶圆厚度测量传感器,实验和分析表明,该传感器的轴向分辨力优于5 nm,轴向扫描范围可达5.7 mm,6种晶圆厚度测量重复性均优于100 nm,单次测量时长小于400 ms。将共焦定焦技术有效地应用于半导体测量领域,为晶圆厚度的高精度、无损在线测量提供了一种新技术。     

激光差动共焦透镜中心偏测量系统设计与实现

针对国内外透镜中心偏高精度测量的迫切需求,研制了一套激光差动共焦透镜中心偏测量系统。该系统从中心偏非接触测量的核心定焦原理入手,结合激光差动共焦定焦技术,解决了清晰度法定焦精度差的难题。在光学测量系统误差分析的基础上,对系统再次优化设计,并利用差动共焦轴向光强响应曲线过零点的位置与被测镜猫眼和共焦点精确对应这一特性,实现了透镜中心偏的高精度测量。通过实验表明,该系统测量精度为0.49%,与传统的清晰度法定焦测量相比,透镜中心偏的测量精度有效提高了6倍。该系统将差动共焦定焦技术有效的应用于透镜中心偏测量中,提高了被测镜猫眼和共焦位置的定焦能力,实现了高精度测量系统的设计,在光学测试和透镜加工及装配领域具有广阔的应用前景。     

激光共焦透镜曲率半径测量系统

基于共焦技术独特的轴向层析定焦能力并结合气浮导轨平移台和激光干涉仪测长系统,研制了一套高精度、非接触激光共焦透镜曲率半径测量系统。该系统利用共焦轴向光强响应曲线的峰值点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,使用峰值点对被测透镜的猫眼位置及共焦位置进行精确定位,并结合激光干涉仪获得透镜猫眼位置及共焦位置坐标值,从而计算得到透镜的曲率半径。系统由主控软件控制气浮导轨带动被测透镜在猫眼位置及共焦位置附近进行扫描测量,并实现信号采集和数据处理。实验表明,利用该系统测量透镜的曲率半径时,测量重复性优于2 μm,满足国内高精度透镜曲率半径测量的精度需求。该系统测量速度快、操作简便、结构简单且易于实现小型化。     

用于惯性约束聚变靶丸测量的激光差动共焦传感器

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题,研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS).该传感器基于差动共焦原理,利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位,并结合物镜微位移驱动技术,实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量.该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响,显著提高了系统的抗干扰能力.将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合,实现了对被测样品的精确瞄准.初步实验与理论分析表明:当测量物镜的数值孔径NA为0.65时,LDCS的轴向分辨力优于5 nm,信噪比优于1 160,过零点的标准偏差为10 nm.该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径.     

激光差动共焦曲率半径测量系统的研制

针对国内高精度曲率半径计量需求,研制一套激光差动共焦曲率半径测量系统.该系统采用差动共焦定焦技术,利用轴向光强响应曲线的过零点精确对应物镜聚焦焦点这一特性,借助过零点对被测件的猫眼和共焦位置进行精密瞄准定位,通过干涉测长技术获取两点间的距离,继而实现曲率半径的高精度测量.该测量系统的机电控制由主控软件完成,可实现机电扫描、数据采集及数据处理,自动化程度高.实验证明,该系统定焦灵敏度高,受环境波动影响小,测量精度可达3×10-6,满足了高精度曲率半径的计量需求.     

激光 ICF 聚变靶丸轮廓测量系统标定方法

针对激光惯性约束聚变靶丸轮廓高精度测量系统的溯源标定问题,提出一种基于激光差动共焦测量原理的标定溯源方法。该方法基于激光差动共焦靶丸测量系统轴向响应曲线过零点精确对应测量系统焦点的性质,首先利用激光差动共焦靶丸测量系统测量经中国计量科学研究院计量检定的标准椭圆块的圆度,其次通过比对测量值和标准椭圆块圆度计量值,得出该系统测量传递系数为1.03,最后通过多次检定验证测量的方法,完成系统的高精度标定。实验结果显示,利用标定完成的系统进行激光聚变靶金属球比对测量,其标准差为37 nm,该标定方法的测量重复性为17 nm,其为靶丸表面轮廓的高精度测量奠定了坚实基础。     

基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法

针对轴向扫描式差动共焦测量法(ASDCM)测量轮廓效率低下问题,提出一种基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法。该方法使用激光差动共焦轴向响应曲线数百纳米量程的线性区间实现了表面连续轮廓高精度线性传感测量,提高了测量效率;同时引入基于卡尔曼预测器的轮廓跟踪原理利用已测轮廓点数据对未测表面预测并跟踪,扩展了线性传感轮廓测量法测量范围。实验结果表明,该方法相对于ASDCM法测量效率提升了8倍,且实现了轮廓PV值大于线性传感测量范围的标准椭圆柱高精度跟踪测量,激光聚变靶丸内轮廓圆度重复测量标准差达3 nm。为精密元器件表面连续轮廓的高精度、快速、无损测量提供了一种高质量方法。     

利用光学系统色偏移进行表面粗糙度检测的方法及结构分析

利用光学方法对表面粗糙度进行检测以其非接触、高精度、无损伤、测量速度快等特点得到了广泛应用.文中介绍了一种利用多色光的轴向色焦点偏移进行表面粗糙度测量的方法,该方法基于共聚焦显微系统的基本思想.文章阐述了该方法的基本原理,并设计了一组光学系统对方法进行分析验证.     

基于Hartmann-Shack波前检测原理的微透镜阵列焦距测量

基于哈特曼波前传感器检测原理,结合图像清晰度定焦技术,提出了一种测量微透镜阵列焦距的方法,介绍了测量系统的组成和原理.首先利用平行光管的出射平面波前在被测微透镜阵列焦面上成像,利用标准透镜产生的球面波前在微透镜阵列焦面附近成像.然后,根据平面波前和球面波前经过微透镜阵列成像时微透镜阵列焦面上光斑的偏移量,计算相应的微透镜阵列子单元的焦距.最后,基于图像清晰度定焦技术,通过不确定度分析和实验测量验证了该方法检测微透镜阵列焦距的可行性.测量结果表明,该方法对微透镜阵列焦距检测精度可达到3％;同时,一次测量可完成微透镜阵列多个子单元的焦距标定.相对于传统的检测方法,该方法具有较高的检测精度和效率.     

基于并行共聚焦显微系统的物方差动轴向测量

差动共聚焦显微成像技术可以获得很高的轴向测量精度,然而已有的差动共聚焦测量技术主要适用于激光扫描共聚焦,还不能满足微纳加工过程中对工件进行非接触式的在线、在位测量的要求。本文在分析差动共聚焦显微成像系统能够实现轴向测量原理的基础上,提出了适用于并行共聚焦技术的轴向测量方法。该方法利用均匀白光照明,在像方只需要使用一台相机做探测器,在物方通过移动载物台分别对样品在焦前和焦后两次成像,根据预先刻度好的差动曲线就可以得出物体表面的高度。理论模拟与实验结果均表明,该方法可以实现高精度的轴向测量,对500nm的台阶样品测量的平均误差为2.9nm,相对误差为0.58%。该方法简单、廉价、测量精度高,可以用于普通显微镜,易于实现样品的三维快速形貌还原与测量。     

光谱共焦位移传感器镜头设计研究

光谱共焦位移传感器是一种高精度、非接触式位移传感器。本文讨论了光谱共焦法用于位移测量的基本原理,用Zemax光学设计软件完成了一个镜头组的设计,并给出了光谱共焦位移传感器镜头组的设计方法以及像差分析。该镜头组采用密接透镜结构,工作波段为486.13nm-656.27nm,测量范围约为91μm,轴向响应FWHM优于5μm。通过线性回归分析得出波长与位移间判定系数为0.99523,在测量范围内,位移与波长间的线性关系较好。     

口径自适应光学透镜中心厚度测量方法及装置

透镜作为光学系统中的核心部件之一，其加工质量极大影响着光学系统的使用性能。其中，透镜中心厚度的偏差对整个光学系统成像质量的影响最大。现有的非接触式和接触式测量设备都存在着一些缺点，因此本文提出了一种口径自适应光学透镜中心厚度测量方法，并基于此方法设计和搭建了一套透镜中心厚度测量装置，进行了测量精度对比和重复性测量实验。结果表明，本文所研究的测量装置误差与产线上所使用的测量装置误差相当，满足对光学透镜的检测要求。本装置具有结构简单可靠、操作方便、测量精度高且可以节省光学透镜生产成本等优点，已在生产线得到应用。     

基于激光传感器的蜜胺板检测系统研制

蜜胺板广泛用于印制电路板钻孔加工中的垫板辅料,随着机加工精度的要求越来越高,蜜胺板厚度在线精确检测成为迫切需要。针对蜜胺板厚度的自动在线检测系统的开发问题,采用非接触式的位移传感器,研制了基于激光三角法的蜜胺板测厚系统。系统借助DELPHI开发了控制系统的上位机操作管理软件,对采集卡和外围辅助装置的指令实时传输、处理。研制的蜜胺板测厚系统操作简便,有较强的可靠性和运行效率。现场应用表明,该测厚系统对蜜胺板厚度的测量精度达0．01mm,测量范围为0—10mm。     

基于数字微镜器件的并行彩色共聚焦测量系统

彩色共聚焦技术因其高分辨率、高测速的特点,在表面形貌测量领域备受关注,然而现有的彩色共聚焦技术多为单点测量,一定程度上限制了测量效率。本文在彩色共聚焦技术的基础上,以DMD作为光分束器件,结合自主研发的大口径色散管镜,利用面阵彩色相机作为光电接收器件,研究和建立了基于数字微镜器件的并行彩色共聚焦实验平台,实现了对被测物面上多个探测点的并行图像处理。最终,利用所搭建的并行彩色共聚焦测量系统,对50μm高的台阶和自制台阶进行了测量,并对硬币的表面形貌进行了三维恢复。实验结果表明,该测量系统的轴向测量范围为300μm,测量精度达到微米级;同时,能够较好地恢复硬币的表面形貌特征,具有较好的测量效率与可靠性。     

应用白光共焦光谱测量金属薄膜厚度

为了精确测量自支撑金属薄膜厚度及其厚度分布,提出了基于白光共焦光谱传感器的金属薄膜厚度测量技术.介绍了该技术的测量原理及系统结构,研究了系统的测量不确定度.利用相向对顶安装的白光共焦传感器组、精密位移平台并结合自制的薄膜厚度校准样品,实现了对厚度为10～100 μm的自支撑金属薄膜的厚度及厚度分布的精确测量;通过研究系...     

基于共焦法的透镜厚度测量系统设计

研究通过分析共焦法检测透镜厚度的原理,并结合实际,给出了共焦光学系统的设计指标及要求,据此设计了一套共焦光学系统,结合光纤、耦合器、光谱仪等设备构成了基于共焦原理的透镜厚度测量系统。文中分析了本共焦光学系统的公差,分析结果表明,所给公差相对较宽松,整个光学系统设计合理,且在此公差下,本光学系统仍能清晰成像。本系统的测量范围至少为15 mm,可以有较广泛的应用。对于普通的K9玻璃,本检测系统的测量范围可达23.4 mm,测量精度为1μm。     

A new confocal scanning beam laser MACROscope using a telecentric,f-theta laser scan lens

A new confocal scanning beam system (MACROscope) that images very large-area specimens is described. The MACROscope uses a telecentric, f-theta laser scan lens as an objective lens to image specimens as large as 7·5 cm × 7·5 cm in 5 s. The lateral resolution of the MACROscope is 5 μm and the axial resolution is 200 μm. When combined with a confocal microscope, a new hybrid imaging system is produced that uses the advantages of small-area, high-speed, high-resolution microscopy (0·2 μm lateral and 0·4 μm axial resolution) with the large-area, high-speed, good-resolution imaging of the MACROscope. The advantages of the microscope/MACROscope are illustrated in applications which include reflected-light confocal images of biological specimens, DNA sequencing gels, latent fingerprints and photoluminescence imaging of porous silicon.