基于四象限光電探測(cè)器的標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)技術(shù)

　　摘要：四象限光電探測(cè)器已在光電信號(hào)檢測(cè)、光電定向、光電準(zhǔn)直、光電對(duì)中、光電自動(dòng)跟蹤、光電制導(dǎo)等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了用于半導(dǎo)體設(shè)備中采用四象限光電探測(cè)器的標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)方案及其實(shí)現(xiàn)方法。

　　關(guān)鍵詞：四象限光電探測(cè)器；標(biāo)記；對(duì)準(zhǔn)

　　引言

　　四象限光電探測(cè)器是把四個(gè)性能完全相同的光電二極管按照直角坐標(biāo)要求排列而成的光電探測(cè)器件，常用于激光制導(dǎo)或激光準(zhǔn)直中。目前在光電探測(cè)系統(tǒng)中廣為使用的多元非成像光電探測(cè)器多為四象限光電探測(cè)器件（以下簡(jiǎn)稱四象限）。它包括各種規(guī)格的硅光電池以及類型各異的四象限光電二極管，如四象限PIN光電二極管、四象限雪崩光電二極管等。圖1為四象限工作原理。



　　激光束投射到四象限上，激光束斑在四個(gè)象限上會(huì)引起輸出信號(hào)幅度的不同，通過(guò)此差異來(lái)判斷系統(tǒng)的準(zhǔn)直狀況。

　　掩模是光刻工藝和設(shè)備必不可少的工具，由石英玻璃制作，是制作集成電路的母板，隨著摩爾定律的作用，特征尺寸的不斷縮小，目前，中芯國(guó)際的90nm工藝生產(chǎn)線已經(jīng)正式量產(chǎn)，并且國(guó)際上65nm節(jié)點(diǎn)工藝和設(shè)備也已經(jīng)成熟。因此，掩模的對(duì)準(zhǔn)要求也越來(lái)越高，對(duì)于要對(duì)準(zhǔn)的掩模版，是通過(guò)其版上的米字形標(biāo)記來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該米字形標(biāo)記是透光的，其余部分鍍鉻，通過(guò)其在四象限上所成的像引起的四路輸出電流信號(hào)的不同來(lái)判斷其偏離以調(diào)整使其定位，其形狀如圖2所示。


　　
　　預(yù)對(duì)準(zhǔn)方案

　　在光刻設(shè)備中，掩模的預(yù)對(duì)準(zhǔn)是極其關(guān)鍵的一步，因?yàn)楣杵�上的圖形是依靠掩模版轉(zhuǎn)移其上的，對(duì)于CD（關(guān)鍵尺寸）為100nm的設(shè)備，其套刻精度在35nm左右。實(shí)現(xiàn)精確的對(duì)準(zhǔn)是依靠復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)—離軸對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，這里不做討論。

　　使用四象限來(lái)完成掩模的預(yù)對(duì)準(zhǔn)可以使系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)、緊湊。該系統(tǒng)的精度要求在7mm，可以用四象限來(lái)實(shí)現(xiàn)。該預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)由光源、透鏡組，掩模版以及四象限組成，如圖3所示，A為L(zhǎng)D光源，發(fā)射近紅外準(zhǔn)直激光，波長(zhǎng)為650nm，帶寬10nm，發(fā)散角0.1~0.2mrad，準(zhǔn)直擴(kuò)束后的光束直徑為5mm，其具體型號(hào)為Sanyo（SD650-80G3）。B為直角棱鏡，C為掩模版，D為窄帶濾波片，主要作用為濾去背景雜散光，提高系統(tǒng)信噪比；E為直角棱鏡；F為四象限，其有效直徑為2mm，峰值波長(zhǎng)為820nm，具體型號(hào)為Centronic（QD7-5）。其輸出功率³40mw，工作溫度范圍在-25℃～+75℃之間。



　　當(dāng)掩模C沿著x向或者y向運(yùn)動(dòng)到直角棱鏡B的下方時(shí)，其上的米字型標(biāo)記被經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束處理后的LD光源A照明，由于只有米字型標(biāo)記是透光的，其它部分不透光，所以標(biāo)記的形狀被投影到四象限F上，直角棱鏡E起倒像作用，主要目的為了節(jié)省空間距離，當(dāng)投影到四象限上的標(biāo)記中心與四象限中心重合時(shí)，表示標(biāo)記已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)，閉環(huán)反饋系統(tǒng)通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)掩模C直到對(duì)準(zhǔn)為止。掩模C放置在PI公司的三維微動(dòng)臺(tái)。

　　信號(hào)處理算法

　　圖４所示為束斑在四象限上的位置。圖中四象限探測(cè)器光敏面的半徑為R。四象限中心與直角坐標(biāo)的零點(diǎn)O重合。圖中四象限的對(duì)稱軸分別與坐標(biāo)的x、y軸重合。束斑中心為O¢。當(dāng)O¢位于四象限中心時(shí)，四個(gè)象限上接收到的光信號(hào)強(qiáng)度相等，經(jīng)計(jì)算處理后得到的誤差信號(hào)為零。當(dāng)O¢逐漸偏離Ｏ時(shí)，Er逐漸增大。Ex、Ey分別代表Er在x、y方向上的分量。為消除束斑光強(qiáng)（光能量或功率）波動(dòng)對(duì)Er的影響，通常要對(duì)Er進(jìn)行歸一化處理。即在Er計(jì)算過(guò)程中除以一個(gè)與束斑光強(qiáng)度相關(guān)的量值。根據(jù)不同的應(yīng)用目的，束斑半徑r相對(duì)于四象限光敏區(qū)半徑R存在一個(gè)最佳值ropt。對(duì)大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合ropt取1/2R。



　　對(duì)輸出信號(hào)處理的算法是決定整個(gè)系統(tǒng)精度的關(guān)鍵因素，常用的算法有加減法、對(duì)角線法，這里我們采用對(duì)角線算法，其表達(dá)式為



　　SA、SB、SC、SD分別代表束斑在四個(gè)象限上的面積（假定目標(biāo)像斑光強(qiáng)均勻分布）。本系統(tǒng)的軟件使用Ｃ++語(yǔ)言編寫(xiě)，最后集成于整個(gè)對(duì)準(zhǔn)程序之中。

　　結(jié)語(yǔ)

　　使用四象限探測(cè)器來(lái)完成掩模的預(yù)對(duì)準(zhǔn)是一種行之有效并且經(jīng)濟(jì)適用的方法，對(duì)于實(shí)現(xiàn)掩模版的預(yù)對(duì)準(zhǔn)完全可行，通過(guò)初步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以完成在10mm的對(duì)準(zhǔn)精度，在改變環(huán)境為凈化間環(huán)境以及提高安裝精度后，該值可以滿足最終的要求。

參考文獻(xiàn)：
1． 馮龍齡，鄧仁亮．四象限光電跟蹤技術(shù)中若干問(wèn)題的探討．紅外與激光工程，1996，5(1):16~21．
2． 匡萃方，基于激光準(zhǔn)直直線度測(cè)量方法的研究．光學(xué)技術(shù)，2003，29(6):699~701
3． 王岱，楊世洪．采用四象限探測(cè)器的雙軸跟蹤控制技術(shù)．光電工程，2003，30(5) :31~33

作者簡(jiǎn)介：
李洪珠（1980- ），男，江蘇徐州人，中國(guó)電子科技集團(tuán)45研究所 上海微高精密機(jī)械工程有限公司工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)