超精表面缺陷检测系统的实验研究

　　1　引　言

　　超精加工表面检测是盘片或晶片制造流程中的重要组成部分。电子产品高度集成化和高性能化的发展,要求对抛光盘片或晶片的超精表面实现纳米级分辨率与大视场的自动缺陷检测,提高成品率。传统的表面检测技术如光学干涉法[123],虽然能达到纵向纳米分辨率,但存在横向分辨率低、检测视场小等不足。本文设计了一种新型超精表面缺陷探测系统,其原理是:利用微悬臂探针在接近表面时受到原子力作用,其大小与扫描间距有关,一般在N之间[426],使得微悬臂探针本身产生纵向偏转。采用低频差双频激光干涉技术对微悬臂探针的偏转量进行检测。利用扫描台来扩大检测视场范围,从而实现纳米分辨率、大视场损伤检测。

　　2　系统原理

　　2.1　总体方案

　　超精表面缺陷探测系统工作原理如图1所示,主要由光学测量单元、扫描探测单元和伺服控制单元3部分组成。

　　激光器发出的2束线偏振光(p光和s光),经光学透镜组形成光探针,聚焦在微探针背面。光学系统形成测量光与参考光发生干涉,信号光强为:

　　式中:K1=1-α1;K2=1-α2;α1、α2为p、s分量在系统中光强损耗因子;E01、E02为参考光及测量光光强;f1、f2为p、s分量频率;fD为微悬臂探针纵向变化量引起的多普勒频移;φ01、φ02为p、s分量的初始相位;φ12、φ22为测量光与参考光相位增量。

　　采用测相法处理外差信号,获得相位差Δφ与微悬臂探针纵向偏转量Δh之间关系[1]:

　　式中,λ为激光波长。由上式可得:。若相位计测相分辨率为0.1°,λ=632.8 nm,则微悬臂探针纵向偏转量检测分辨率优于0.1 nm。

　　2.2　扫描探头

　　扫描探测单元由微悬臂探针、压电双晶片、柔性微调机构以及扫描台组成,微悬臂探针、楔块、压电双晶片由弹簧片固定于微调机构凹槽内,如图2所示。微悬臂探针采用Veeco公司NP2S型氮硅微探针。每块探针基块集成4个弹性系数不同的微悬臂探针,可以满足极低力弹性常量(10-2~102N/m)要求。微悬臂探针俯仰与倾斜度调节利用柔性铰链传动实现,保证光学测量单元光探针垂直入射并会聚于微悬臂探针背面。

　　压电双晶片驱动电压为300 V,量程在1μm左右,位移变化量大致为3 nm/V。在伺服控制单元控制下,由压电双晶片驱动微悬臂探针实现接触、非接触或者轻敲3种不同的扫描探测模式。

　　2.3　柔性机构模型

　　探测系统中微悬臂探针的微调机构采用柔性铰链机构进行俯仰度和倾斜度调节,其转角刚度计算模型如图3所示。

　　柔性机构变形是由许多微小段弯曲变形累积结果,而且作用在微小段两侧面弯矩相等,根据材料力学与高等数学知识,可得铰链中性面曲率半径以及曲线y=f(x)上任意一点的曲率: