用原子力顯微鏡測量光盤的凹坑形貌

1、維晉資訊 維晉資訊 測量與設備維晉資訊 維晉資訊 用原子力顯微鏡測量光盤的凹坑形貌景蔚萱蔣莊德西安交通大學精密工程研究所，西安710049)摘要事文首先介紹了甌子力顯微鏡(AFM)的特點和影軻光盤播枚質(zhì)最的主要參數(shù),苴次用AF何對光盤 上記錄侑息用的凹坑深度，凹坑長度和側(cè)壁甬度等關(guān)鏈參數(shù)進行了測SL并對測董結(jié)果進行了分析*笑詞 原子力廉徽鏡 光盤 凹坑長度 凹坑探度 側(cè)壁角度維晉資訊 一、概述DVD光盤具有存儲量大、成本低、精度高和信 息保存壽命辰等特點，現(xiàn)已成為主要的數(shù)據(jù)儲存介 質(zhì)。它的信息是以凹坑的形式存儲于盤基上，凹坑 的深度、橫向尺寸以及凹坑的側(cè)壁角度等是信息位 的關(guān)犍參數(shù),它們直接影

2、響光盤的讀出信號質(zhì)量，如 高頻帽度、不對稱性和推挽跟蹤信號等。AFM可直接進行三維測量其垂直方向的分辨 力為亞納米級水平方向的分辨力為納米級，所以能 夠在納米尺度上對CD/DVD上的信息位凹坑結(jié)構(gòu) 進行三維測重進而找岀影響光盤蘭世的直接原因D 它具有效率高，能提供量化的三維信息和對樣品無 破壞的特點，是分析CDZDVD盤片質(zhì)量的重要工 Ao二、光盤質(zhì)的檢測方法CDZDVD光盤參數(shù)主要分為機械參數(shù)、光學參 數(shù)和記錄參數(shù)。盤片播放時,記錄參數(shù)真正反映了 盤片的播放性和兼容性因此記錄參數(shù)是盤片測試 時的重點"。光盤的生產(chǎn)工藝參數(shù)決定了光盤上信息凹坑的 幾何形狀，而這些凹坑的幾何形狀則影響著

3、光盤的 播放威量和兼容性。光盤質(zhì)螟檢測方袪主要有兩 種;間接質(zhì)議檢測和直接質(zhì)量檢測。以光盤分折儀 為代表的間接質(zhì)燉檢測方袪，B的是分析光盤的播 放性能的好壞，測量結(jié)果表現(xiàn)為生產(chǎn)工藝參數(shù)與盤 片的播放性及兼容性之間的關(guān)系，而信息凹坑的幾 何形狀參數(shù)是隱藏的變量，如圏1所示。W 為代表的直接質(zhì)量檢測方法，目的是測厳光盤上信 息凹坑的幾何形狀及其謀差，從而建立生產(chǎn)工藝參 數(shù)和信息凹坑幾何形狀之間、信息凹坑幾何形狀和 盤片電氣性能之間的關(guān)系，進而找出於響盤片播放 性能和兼容性能的直接原因如圖2所示。工藝巒數(shù) in抗幾何晤狀電r性能圖1間接質(zhì)量控制丁藝彝數(shù)一|凹抗幾何莎電弋性能圖2直接質(zhì)量控制圖3是用A

4、FM的ThppingUxk摸式對CD光盤 所成的圖象。光盤樣品為半成詁盤，即注魄過程完成 后還未蒸鍍反射薄膜的盤片，這樣可以使AFM探針 對光盤表面的信息位凹坑幾何結(jié)構(gòu)進行應象。所用 AFN1 為 NanuScupeHI AFM(Digital Instrument, Inc, )D 測量條件為常溫、常壓及大氣氛圍F。本文分析用的 數(shù)據(jù)就是用AFM從該圖片中測餓得到的。圖3計量捕術(shù)2004.No 3維晉資訊 :則螢與設備維晉資訊 維晉資訊 】««壬吟三信恵位凹坑測璧角度的測圖4是對光盤信息位凹坑的導人角惟進行測量 得到的結(jié)果導人角度的平均值為8 + 69標準偏 差為2.96

5、最小值為4.06%最大值為14.19導人 角度的分散范圍A10.1320T T 1 T T rI III I I II j01020304050607080測量序號圖4圖5是對光盤信息位凹坑的導出角度進行測量 得到的結(jié)果。導出角度的平均值為2.98標準偏 差為0.25最小值為2.3叭最人值為,4廣導出 角度的分散范圍為riro6-i程中，由于探針針尖有一定的曲率半徑，探針針尖和 光盤信息位凹坑進行相互作用，進而造成圖象失真 而產(chǎn)生的口在生產(chǎn)過程中應當盡可能減小信息位凹坑的側(cè) 壁角度及英波動,因為側(cè)壁角度不但影響讀出信號的 過零點，而且還影響讀岀信號的凋制度*進一步的分 析表明，由于讀出信號的中

6、點值和信息位凹坑側(cè)壁的 幾何中心不可能重合，兩者之闔存在一個偏移”從而 會影響光盤的另一個重要參數(shù)一抖晃。因此,在生產(chǎn) 過程屮應注意母盤的磨損、拔模斜度的控制,母盤制 造過程中記錄激光的波長、對準條件、光路設計、光致 抗蝕劑特性、曝光能量及顯影條件等因嘉，成控制信 息位凹坑的測壁角度在容許的范圍內(nèi)液動。四、僧息位凹坑課度和凹坑長度的測圖6給出了對光盤上信息位凹坑的長度和深度 進行測晴所得的結(jié)果?？梢院苊黠@地看出信息位凹 坑的長度和深度具有強烈的相關(guān)關(guān)兼。在所得到的 測量數(shù)據(jù)中*凹坑深度的最小值為24.85nm.fi大值 為I03.07nm而凹坑長度的分散范圍在820.31ntn 3750nm之

7、間戶同時還可以看岀，凹坑長度尺寸的分 敬是以小范圍的集中為特征的,這與通道位的特征尺 寸是按T號進行分類相一致的.在每一個T號組 內(nèi).凹坑長度和凹坑深度分別有一個毘小值,且凹坑 長度的最小值決定了凹坑深度的最小值。維晉資訊 維晉資訊 LOO80604020010203040506070 BO雋呈傑號圖§信息位凹坑的惻壁倉度（包括導人角度和導出 角度）是在生產(chǎn)過程中形成的，是不可避免的。例 如,在刻錄母盤時'由于聚焦光斑能量的分布近似為 高斯分布，且激光器的開關(guān)過程有一亍延遲，所以會 便母輒凹坑側(cè)壁有 個傾角匚而在用模扳進行注環(huán) 壓制盤片時,為了便于拔模，減少廢品，也要求母盤

8、信息位凹坑側(cè)壁有一個傾角。這些是導人角度和好 出角度產(chǎn)生的主要原因。另外，導人角度的平均值（8.69*）和導出角度的 平均值（2.98。）之間有偏差，原因有兩方面:一方面 是在生產(chǎn)過程中由于脫模時模具的不平行分離所造 城的;另一方面是在用AFM對光盤進行成象的過5001000 1500 2000 2500 3000 3500 4000凹坑長ffifnin）圖6從圖6測量結(jié)果可以看出，凹坑按度和凹坑棵 度不但強烈相關(guān),而且凹坑長度尺寸的分散狀況是 以小范圍的集中為特征，這說明凹坑深度有一個臨 界值，且這個臨界深度取決于凹坑長度的大小 即不同的T號組人對不同的臨界坑深凹坑長度 有一個對應的最小值，

9、以保證讀岀信號有合適的調(diào)維晉資訊 維晉資訊 -29 *外最技術(shù)2004. No 3維晉資訊 測星與設備維晉資訊 維晉資訊 制度。在不同的凹坑長度尺寸分段范圍內(nèi)，存在相 應的臨界坑深，詼范圏內(nèi)的其它坑深必須大于臨界 坑深,這樣才能保證讀出信號的調(diào)制度口在圖&的 測量結(jié)果中，根據(jù)凹坑長度的不同集中范圍,第一組 的臨界坑深約為24-85nmt第二組的臨界坑深約為 39.73nm，第三組的臨界坑深約為43.67nni,第四組 的臨界坑深約為54.79nm,等等。在光盤生產(chǎn)過程中,必須對凹坑深度和凹坑長度 的影響因索多加注意。例如，在制作母盤時,考慮到 壓盤時母盤的磨損、注塑過程中工藝參數(shù)（溫度

10、、保持 時間、保持壓力、冷卻效率等）的變化會使坑深上下波 幼,曝光時間和顯影時間都應該足夠長，使得實際坑 深大于臨界坑深;另外,必須保證母盤的表面組糙度 達到一定的水平,否則會便注塑出來的光盤上信息位 凹坑邊緣在廩操作時發(fā)生衍射，影響讀出信號的質(zhì) 量JL其對于DVD光盤，由于其信息位特彳iE尺寸更 小，更應該保證母盤表面樹糙度。至于凹坑長度，不 但要保證其長度準確t而且應控制其波動在一定的范 圍內(nèi)因為凹坑長度的波動會產(chǎn)生長度失調(diào),進而造 成通道位長度的波動，形成非對稱性誤差，圮后產(chǎn)生 抖晃"要把凹坑長度誤差限制在淀的容許范嗣內(nèi)* 需要嚴格控制制件母盤吋的曝光工藝參數(shù)，諸如激光 能量水

11、平、曙光時間、光致抗蝕刑的參數(shù)等。寶"結(jié)論用原子力顯微鏡（AFM）可以測量光盤上倍息符 的形貌參數(shù)*諸如凹坑長度、凹坑深度、凹坑佛曜角度 等，從而可以直接找岀這些參數(shù)對光盤播放性能（高 頻幅度、不對稱性和推挽跟蹤信號等）的具體影響這 樣就把允盤的生產(chǎn)工藝參數(shù)和凹坑幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、凹 坑幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和光盤播放性能有機地聯(lián)系起來。 這種獨特的優(yōu)勢使得AFM在未來的高密、高速以及 海常存儲系統(tǒng)的研究中將會發(fā)揮重要的作用。參老文itt門徐端察.Jt盤存儲采統(tǒng)設計原理京:國騎工業(yè)出版社, 20004:24-362 馬立軍”徐端雁.DVI）盤片質(zhì)量鬧試毎統(tǒng)的研充與幵發(fā)J,鍛 丸與紅外.2000,3

12、0）:362-3663 Donald A. Chtmcff and Ihvid L. Burkhead, Automated* HiRh Precision Measmirneiit of Critical 1 dimensions Using the Atorruc Ferre MicroeDDpyfj i J, Vhc. Sci.Technal. A17,14579994 : Doflsld A. Chemoff and Fla vid 】“.Burkhmd, AFM ljergrhof Marks： Meddling Jitter, Asyinmfiry, Ptoecss Noise a

13、nd Frocese PositionJ *Qpt»cal Did? Syctn&Scp- -Oct. , 1999.l5 Wei-Hung Yeh+ Lifeng LitM Mnn«iuripur. Canputthon of effective grocive depth in ml tiprical diidt wiilh vertcr diffnetion theoryf J J - Applied fiptite. 2000.腳打.316-323,維晉資訊 維晉資訊 轉(zhuǎn)角控制與夾緊厚度和延伸率的關(guān)系張家全（上海大眾買車有限公司，上海201805）摘要本文描

14、述了在轉(zhuǎn)角裝配控制過程中轉(zhuǎn)角、屈服點、延伸率和夾贛厚度的關(guān)系，并推導出計算轉(zhuǎn)配后的 延伸率和已知延忡率計算轉(zhuǎn)角的公武,舉例說明了轉(zhuǎn)角控制（耕彈性裝配或屈腿點控制）的優(yōu)克。關(guān)詞轉(zhuǎn)角控制裝配屈眼點延忡率夾緊厚度維晉資訊 維晉資訊 、概述我們知道轉(zhuǎn)角控制裝配,又稱超彈性裝配就是 屈服點裝配方法的一種。在裝配過程中，首先確定 一個轉(zhuǎn)角起始扭葩例如圖1中，是M8.M8.8級的 螺栓'起始扭矩從20Nf±2Nf開始，然后再轉(zhuǎn) 904 ± 10%從圖中曲線可以看岀，螺栓材料到36N m已經(jīng)屈服，也就是講，從20Ntn開始，轉(zhuǎn)25“扭世 達到36N'm螺栓材料屈服，然后再繼

15、續(xù)轉(zhuǎn)仍S裝 配機停止運轉(zhuǎn)，整個裝配過程結(jié)束°轉(zhuǎn)角裝配的優(yōu) 點是:在裝配過程的完成階段,可以消除摩擦系數(shù)的 影響*最有效的利用金屬材料的強度特性，從而避免 螺紋副的裝配失效乜二、轉(zhuǎn)角與孌緊厚度在國外有關(guān)轉(zhuǎn)角揑制的裝配資料中，一般是將維晉資訊 維晉資訊 30 -計盤技術(shù)2004、No3維晉資訊 測屋與設備維晉資訊 維晉資訊 轉(zhuǎn)角起始點扭矩控制在裝配扭矩的創(chuàng)左右，然麻 再將轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)90*（見表1超彈性裝配的起始扭矩MMNtn）和轉(zhuǎn)角（度）及攝小最大預緊力尸伽時 FMmus（kN）.但是又特別提示”表中的數(shù)據(jù)僅適合 標準螺栓.井且夾緊厚度在（況嫖紋的名艾 直徑之間如果夾緊厚度小于規(guī)或大于4乩

16、則轉(zhuǎn) 角應45至9（/或在9CT至1割F之間*具休的癥轉(zhuǎn)角 度必須通過試驗和計算來確定。在實際生產(chǎn)中，僅按表1中選擇的轉(zhuǎn)肅來控制 螺栓的趙彈性裝配，有時往往造成探栓的裝配失效4 例如，某螺栓的裝配工藝規(guī)定,在裝配發(fā)電機支架固 定時*發(fā)電機支架為2mm厚的鋼板，裝配的是M10 鍍鋅螺栓、強度級別M&8級端面加大，并帶有防 松齒。要求采用轉(zhuǎn)角控制的裝配工藝。維晉資訊 維晉資訊 * 1超彈性裝配的超始扭矩MA（N-m）W轉(zhuǎn)軸（度及最小畳大預緊力FMmin.FMmM（kN）強度級別預擰緊扭矩Nm十期轉(zhuǎn)角預顰力kN （超彈性裝配后）擰曜扭矩N*m （超彈性裝配后）F/j亦 nM68.8810.5

17、H.510.01710.91015.520討.523.512.918.522.517.026.5M88,82019.52624.04110,9293635.55712,93441丘41.565M10亂8403141.547.58110.95045.5577011012.9546681130M12xl+58用6048648514510.9W718812520012丹83100145230M14X1.5|8.8100699114024010.915010012520533512?115145235380M16X1.J8.0120951252153801Q.9ISO13517031051012,91

18、60195360585M18X1.51401251653155551Q.9210175220斗5074512.9205250,525SS5訃議技術(shù)2004.No3維晉資訊 測量與設備維晉資訊 E5從表I中査得首先將螺栓裝配到40Nm的扭 矩起始點.然J&再族轉(zhuǎn)90fl±'15由于這個螺栓是 端面加大的組合螺栓端面的摩擦扭矩增大,所以裝 配的最終扭矩比較大.最大超過90N'm左右具有 良好的防松功能。但繪在裝配過程中，往往發(fā)生螺 栓斷裂的現(xiàn)象三、轉(zhuǎn)角與延神率我們査表知道，強度M8.8級的螺栓，材料的最 小延伸率為10%a通過實際試驗我們得岀、當裝配 到轉(zhuǎn)角20&

19、quot;左右肓螺栓材料開始屈服.再轉(zhuǎn)了滬才能 完成整個裝配過程。這時.我們可以計算岀螺栓夾 緊部分的延伸率沢假設其中不包括彈性模量變形 (戌下各式均同hAxp5 =x 100%s式中為螺栓材料的延忡率嗚.A®為螺栓達到屈 服點以后再轉(zhuǎn)的角度'單位：度；p為螺栓螺距'單 位rmmu為螺栓裝配時夾緊的厚度，單位:mmo則 $= x 100% = 14.6%從計算可以看出，按照這種工藝裝配，螺栓材料 的延神率可達14.6%,遠遠的超過了螺栓材料10% 延神率的要求，所以螺栓斷裂也就不足為奇了。如果 我們將螺栓夾緊厚度改為20mm*這時計算出的螺栓 材料的延忡率僅有1.46

20、%,螺栓肯定不會斷裂。四、轉(zhuǎn)角與屈服點從表1中査出丫對標準螺栓，完成轉(zhuǎn)角裝配以后, 繪大扭矩可達SIN而我們裝配的是一個特制的組 合螺栓，完成裝配過程以后.最大扭矩可達90Nm,這 主要是因為螺栓端面加大和螺栓材料強度較高，所以 實際扭矩比虹的扭矩增大了 10Nm左右。那么采用多大的轉(zhuǎn)角裝配比較合理呢？我們可 以通過以上公式推導出需要的控制角度公式，計算 所需要的轉(zhuǎn)角控制度數(shù),公式中25°是從爲始扭矩 20N*m?F始轉(zhuǎn)到螺栓材料開始屈服的度數(shù)。假設 將螺栓的屈服點控制在1%以內(nèi).則：則計算出采用轉(zhuǎn)角裝配時*夾緊厚度為2mmT 當從起始扭矩40Nm開始轉(zhuǎn)角控制需要轉(zhuǎn)30幕 但是,有時計算出的度數(shù)可能不是整數(shù)t當螺栓材料 屈服以后，多轉(zhuǎn)幾度和少轅幾度對裝配幾乎沒有彰 響.所以我們在計算出角度以后，一般取3045 6090120150180 常用的是 456090對于以上計算出的轉(zhuǎn)角，應取30%采用轉(zhuǎn)角控制，不但充分的利用了螺栓材 料的強度，而R螺栓肯定不會