CN109000571B - 一种厚度一致性检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厚度一致性检测装置，包括：光谱共焦位移传感器、传感器调整单元、工件转台、悬臂转台、悬臂转台调整单元、工件台、悬臂、配重、主控制器组成。本发明检测装置可用于大口径、高精度材料厚度一致性的测量和分析。本发明结构简单、紧凑且稳定，工程易实现；通过使用气浮回转轴系执行运动功能，大幅度降低动态测量时的震动，从而可实现快速、精确的测量。

Description

一种厚度一致性检测装置

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种厚度一致性检测装置。

背景技术

微纳光学、薄膜光学的快速发展对基底材料的厚度一致性提出了严格的要求，对基底材料厚度一致性的精密测量是改良其制作工艺，改善产品质量的关键。

目前主流的厚度一致性测量方法主要有三种，一种是传统的单面定位测量法，使被测件以适当的方式贴合到参考基准平面上，再测量各位置处相对于基准平面的高度代替厚度，这种方法的缺点是被测件与基准面会存在贴合误差，并且贴合时会对被测样品产生损伤。第二种是利用激光传感器，如激光三角法位移传感器、电容传感器从正反两个方向对被测件进行相对测量，通常结合直线运动机构进行扫描测量。这种方法的缺点是传感器光斑较大，容易出现平均误差，直线运动机构在大量程范围内不容易实现精密运动，只能应用于工业级现场测量，并不能实现高精度(<100nm)的测量。第三种为差动共焦测量方法，采用差动共焦位移测量传感器结合1维直线运动机构测量两个反射面间距离，再通过材料折射率反算厚度，这种测量方法只能测量透明材料厚度。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对现有技术的不足，提供一种用于高速、高精度、非接触的厚度一致性检测装置，可实现如薄膜、硅片、平晶等关键材料厚度一致性的质量控制。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种厚度一致性检测装置，包括：

光谱共焦位移传感器，应具备2个以上测量通道及测头，其上下测头分别安装在传感器调整单元上，用于实现非接触式位移测量，可选择位移测量模式及厚度测量模式。

传感器调整单元，用以固定并调整光谱共焦移传感器的2个测头的三维姿态，使光谱共焦位移传感器的两个探头测量轴重合并过工件转台转轴中心，其固定在悬臂上。

工件转台，应为空心结构基于气浮原理，用以实现带动被测件旋转；其装配有角度编码器，可实时输出旋转角度。

工件台，用于实现被测件与工件转台之间固联，并可实现被测件法向与工件转台法向之间的调平。

悬臂转台，基于气浮原理，用以带动悬臂旋转；其装配有角度编码器，可实时输出旋转角度。

悬臂，安装在悬臂转台上，用以实现固定测头并使其按圆弧轨迹运动。

悬臂转台调整单元，用以实现悬臂转台与工件转台之间的旋转轴调平行；

主控制器用以实现工件转台、悬臂转台的运动控制及角度信息采集及光谱共焦位移传感器的位移信号采集。

厚度一致性检测装置基于柱坐标测量原理，工件转台带动被测件旋转使得光谱共焦位移传感器测头可获得被测件的圆周信息，悬臂转台带动光谱共焦位移传感器测头旋转使得光谱共焦位移传感器可获得被测件径向信息。从被测件上下表面进行测量的光谱共焦位移传感器测头可获得被测件厚度变化信息。综合以上信息，可实现整个被测件的厚度变化及分布情况。

其中，工件转台、悬臂转台均使用精密气浮轴系，其中工件转台为空心结构；工件转台及悬臂转台执行运动及坐标测量功能。

其中，位移测量单元采用双通道光谱共焦位移传感器。

其中，厚度一致性测量采用双测头模式，上下测头位移测量值之和的变化为被测件厚度变化量。

其中，厚度一致性测量在薄板型透明被测件上可采用单测头模式，上测头或下测头可直接测量绝对厚度及厚度变化量。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明采用了双气浮转台执行运动及测量功能，结构紧凑，运动平稳；降低了运动部件的震动、摩擦对测量的影响；可实现动态测量，大幅提高检测效率。

(2)本发明采用光谱共焦位移传感器及双测头测量技术，通过“相对测量”原理测量厚度变化量，可抑制运动平台误差对测量结果的影响。同时光谱共焦位移传感器相较于电容、电感、接触式测头，其采样点尺寸仅为几微米，可以实现双测头的精准对位，降低材料自身面形误差的影响；同时，对透明薄板材料可使用单测头的多峰测量模式进行厚度绝对值及一致性的测量。

附图说明

图1为厚度一致性检测装置示意图；

图中，1为工件转台，2为工件台，3为光谱共焦位移传感器，4为传感器调整单元，5为悬臂，6为配重，7为控制器，8为悬臂转台调整机构，9为悬臂转台。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如1图所示，为厚度一致性检测示意图，由工件转台1，工件台2，光谱共焦位移传感器3，传感器调整单元4，悬臂5，配重6，控制器7，悬臂转台调整机构8，悬臂转台9组成；

工件转台1和悬臂转台9均采用气浮轴系，可以提供无摩擦、低震动的动态运动和良好的静态稳定性，两个转台内集成有伺服电机及角度编码器，可以提供精密回转运动及实时角位移信号。其中工件转台1采用空心结构，可以保证样品放置在工件转台上时，被测件上下面均不受遮挡。

工件台2提供被测件与工件转台1之间的联接与位姿调整作用，工件台2同样应为空心结构，随工件转台转动1时不与光谱共焦位移传感器测头发生干涉；同时，工件台2应通过机械精度或二维倾斜调整功能使被测件法线与光轴保持垂直，确保被测件转动时不会超出光谱共焦传感器量程。

悬臂转台9应与工件转台转轴1保持平行，通过调整悬臂转台调整机构8实现。具体的调整做法为：使用激光跟踪仪进行辅助装调。首先，将激光跟踪仪靶标放置于工件转台1台面边缘处，旋转工件转台1并使用激光跟踪仪记录靶标空间运动轨迹。利用靶标轨迹坐标点拟和平面和圆，并用平面法线为Z轴，圆心为原点建立工件转台坐标系。然后，将靶标放置于悬臂5上，旋转悬臂转台9，观察靶标运动轨迹z坐标。将靶标z坐标变化量调整至最小(约5-10微米)即认为两个转台转轴已调平，此时记录靶标在悬臂5上的运动圆心位置，其至工件转台坐标系的投影距离为悬臂5的臂长L。

位移传感器采用双通道光谱共焦位移传感器3，其分辨率和精度与量程相关，可根据被测件精度及测量需求选取合适的量程传感器。

光谱共焦位移传感器3通过传感器调整单元4进行姿态调整，应具有三维调整功能。两个光谱共焦位移传感器测头的测量轴与工件转台转轴的平行性通过机械加工精度进行保证。传感器调整单元4沿被测件表面法向的调整功能用以将光谱共焦位移传感器测头的量程中心调整至被测工件表面上；传感器调整单元4垂直于工件转台轴向的二维调整功能用以将上下两个光谱共焦位移传感器测头进行过心(工件转台轴心)调整。具体的做法为：(1)将小孔(孔直径约为50-100微米)通过二维调整工装放置于工件转台1上，近似于轴心位置处；旋转工件转台1，并使用显微镜观察小孔的画圆运动，调整小孔位置使其在工件转台1旋转时划圆半径最小，此时认为小孔已与工件转台1同心。(2)利用小孔分别对上下两个光谱共焦位移传感器测头进行对心。当测头未对心时，测头发出的汇聚光(焦点光斑约为5～10微米)汇聚在小孔边缘，此时有位移信号输出；当调整光谱共焦位移传感器测头位置使其光斑汇聚在小孔中心处时，此时会有突变的位移信号，则认为光谱共焦位移测头已对准至小孔。当光谱共焦位移传感器上下测头均调整至小孔位置时，则认为光谱共焦测头垂直于工件轴向已完成调整。

测量时，通过应用程序用户界面向主控制器发送运动指令，使工件转台1做匀速重复圆周运动，悬臂转台9做圆弧运动。具体测量模式可以是螺旋线测量模式和圆周测量模式，从而可使测头测量轨迹覆盖整个被测件表面。在工件转台1、悬臂转台9运动的同时，通过主控制器对工件转台1、悬臂转台9转动角度α、β及光谱共焦位移传感器2个测头的四个位移信号l₁₁、l₁₂、l₂₁、l₂₂进行同步采样。注：当被测件为透明薄板时，l₁₂、l₂₂为有效数据。

若使用双向双测头测量模式，则厚度变化量为：Δd＝Δ(l₁₁-l₂₁)；

若使用单向单侧头厚度测量模式，则厚度变化量为：Δd＝Δ(l₁₁-l₁₂)或Δd＝Δ(l₂₁-l₂₂)；

厚度测得值其对应的位置为：

其中L为臂长，α为工件转台旋转角度，β为悬臂转台旋转角度。

综合厚度变化量测得值及相应的二维坐标，即可获得被测件厚度一致性及变化分布。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种厚度一致性检测装置，其特征在于，包括：

光谱共焦位移传感器(3)，具备2个测量通道及测头，其上下测头分别安装在传感器调整单元(4)上，用于实现非接触式位移测量；

传感器调整单元(4)，用以固定并调整光谱共焦移传感器(3)的2个测头的三维姿态，使光谱共焦位移传感器(3)的两个测头测量轴重合并过工件转台(1)转轴中心，其固定在悬臂(5)上；

工件转台(1)，为空心结构，基于气浮原理，用以实现带动被测件旋转；其装配有角度编码器，实时输出旋转角度；

工件台(2)，用于实现被测件与工件转台(1)之间固联，并实现被测件法向与工件转台(1)法向之间的调平；

悬臂转台(9)，基于气浮原理，用以带动悬臂(5)旋转；其装配有角度编码器，实时输出旋转角度；

悬臂(5)，安装在悬臂转台上，用以实现固定测头并使其按圆弧轨迹运动；

悬臂转台调整单元(8)，用以实现悬臂转台(9)与工件转台(1)之间的旋转轴调平行；

主控制器(7)用以实现工件转台(1)、悬臂转台(9)的运动控制及角度信息采集及光谱共焦位移传感器(3)的位移信号采集；

厚度一致性检测装置基于柱坐标测量原理：工件转台(1)带动被测件旋转使得光谱共焦位移传感器(3)测头可获得被测件的圆周信息，悬臂转台(9)带动光谱共焦位移传感器(3)测头旋转使得光谱共焦位移传感器(3)可获得被测件径向信息，从被测件上下表面进行测量的光谱共焦位移传感器(3)测头可获得被测件厚度变化信息，综合以上信息，实现整个被测件的厚度变化及分布情况；

所述的工件转台(1)、悬臂转台(9)均使用精密气浮轴系；工件转台(1)及悬臂转台(9)执行运动及坐标测量功能；

位移测量单元采用双通道光谱共焦位移传感器(3)；

厚度一致性测量采用双测头模式，上下测头位移测量之和的变化为被测件厚度变化量；或者厚度一致性测量在薄板型透明被测件上采用单测头模式，上测头或下测头可直接测量绝对厚度及厚度变化量；

测量时，通过应用程序用户界面向主控制器发送运动指令，使工件转台(1)做匀速重复圆周运动，悬臂转台(9)做圆弧运动，具体测量模式是螺旋线测量模式或圆周测量模式，从而可使测头测量轨迹覆盖整个被测件表面，在工件转台(1)、悬臂转台(9)运动的同时，通过主控制器对工件转台(1)、悬臂转台(9)转动角度α、β及光谱共焦位移传感器2个测头的四个位移信号l₁₁、l₁₂、l₂₁、l₂₂进行同步采样；

若使用双向双测头测量模式，则厚度变化量为：Δd＝Δ(l₁₁-l₂₁)；

若使用单向单测头厚度测量模式，此时当被测件为透明薄板时，l₁₂、l₂₂为有效数据，则厚度变化量为：Δd＝Δ(l₁₁-l₁₂)或Δd＝Δ(l₂₁-l₂₂)；

厚度测得值其对应的位置为：

其中L为臂长，α为工件转台旋转角度，β为悬臂转台旋转角度；

综合厚度变化量测得值及相应的二维坐标，即可获得被测件厚度一致性及变化分布。

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