专利名称：使用垂直入射束偏移法用于超光滑表面的光学轮廓测定仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及薄膜测量领域，包括设置在硬盘驱动器的盘片上的薄膜，尤其涉及用于测量这种磁性记录盘片的超光滑表面构形(topography)的装置和方法。
背景经涂覆的薄膜盘片用于各种产业中。其中一个实例是计算机硬盘业。计算机硬盘(磁性存储装置)是非易失性存储器装置，可以存储大量的数据。
硬盘驱动器的薄膜媒质的设计和制造中重要的技术指标是HMS_Wq，也称作r.m.s头-媒质间距调节。HMS_Wq提供读取/写入头和硬盘上薄膜的超光滑表面之间的间距测量。当前设计者用来测量该参数的设备称作Candela轮廓测定仪。美国专利No.6392749提供了这种轮廓测定仪的描述。
Candela轮廓测定仪通过测量校准光束的偏移推断盘片表面的局部斜率，其中对准光束以一斜角入射到盘片表面上。该技术的一个优点在于它很少受测试中旋转磁盘的盘片模式振动的影响。但是，这种技术对正确的光学对准很敏感且不便于携带。这限制了Candela轮廓测定仪的使用。
Candela轮廓测定仪所提供的装置的另一个缺点在于它通常需兼测高度和斜率信息。为了仅获得高度或斜率，需要Candela轮廓测定仪有特殊装置，包括采用多个激光器以便提供测量信号。
测量HMS_Wq的另一类方法是采用激光多普勒振动计(LDV)。与Candela轮廓测定仪不同，LDV技术是便携技术。但是，由于LDV技术测量平面外(out-of-plane)运动，HMS_Wq测量容易受到盘片模式振动的损害。
发明概述需要一种便携式、成本高效和功能强的光学轮廓测定仪(profiler)，它能测量诸如硬盘上的超光滑表面构形。
本发明的实施例满足了这种和其它需要，它提供了一种用于测量表面的表面构形的装置，包括产生光束的线偏振光源。设置了光学装置以便将光束聚焦在被测表面上从而提供垂直入射光束偏移。光学装置包括偏振光学装置，从而入射光束具有第一偏振而来自表面的反射光束具有与第一偏振不同的第二偏振。设置位置灵敏检测器来检测反射光束。
本发明的其它方面也满足了上述的需要，提供了一种测量表面构形的方法，包括将第一偏振的光束指向被测表面的步骤。光束在垂直入射到表面的方向上被指向表面，其中来自表面的反射光束也垂直入射到表面。反射光束的偏振被变成与第一偏振不同的第二偏振。具有第二偏振的反射光束被指向位置灵敏检测器。通过在位置灵敏检测器处得到的测量值，确定构形。
本发明的另一些方面也满足较早陈述的需要，它提供了用于测量超光滑表面的构形的一种装置，它包括激光源，和用于将激光指向超光滑表面并测量超光滑表面构形的装置。
通过以下本发明的详细描述同时结合附图将使前述的和其它本发明的特点、方面和优点将变得更加明显。
附图概述
图1描绘了根据本发明实施例构建的一种光学轮廓测定仪的示意性侧视图。
图2描绘了x-y轴系统上位置灵敏检测器的象限。
图3描绘了根据本发明构建的光学轮廓测定仪的可选实施例。
具体实施例方式
本发明涉及并解决了关于诸如磁性记录盘片上超光滑表面的表面的光学轮廓测定问题。特别是，本发明提供了一种便携式、成本有效和功能适用的装置。它是通过垂直入射束偏移方法实现上述功能的。通过采用光的偏振属性实现垂直入射方式。因此，测量装置包括相对较少的光学部件并易于制成紧凑和便携式装置。上述装置在形成HMS_Wq测量或需要超光滑表面的构形特性的任何应用中都是很有用的。
图1描绘了根据本发明构建的光学轮廓测定仪的实例性实施例。本发明的一个优点是使用常规部件，将它们装配以便按图1和3中描绘的方式形成本发明。这设定所述设置成本有效。
图1中的光学轮廓测定仪10包括激光源12并提供线偏振激光13的校准光束。这种激光可具有范围较宽的各种不同波长。适于在本发明中使用的实例性波长是650nm。将线偏振激光13的校准波束提供给半波片14。如已知的，半波片能改变偏振光束的线偏振方向。在本发明中，将半波片14对准以使透射束15主要包括p偏振光。
长工作距离的显微镜物镜16从半波片14接收p偏振光。长工作距离的显微镜物镜16用来将p偏振光的校准光束15转换成会聚光18。会聚是这样的，从而光束18到达目标或测试表面28时的焦点处呈充分小的斑点。由于光束18设置成垂直入射到表面28，测试表面28上的该测试斑点很小，特别是与激光以斜角射向表面的布置相比。
在长工作距离的显微镜物镜16后，会聚光束18通过偏振光束分离器20。会聚光束18中的p偏振光由偏振光束分离器20以较少的反射损耗透过。会聚光束18通过偏振光束分离器20的45度表面22并通过四分之一波片24。四分之一波片24的对准是这样的，从而改变反射光束26的偏振以仅包含s偏振。
由于光束18是垂直入射到高反射、超光滑表面的测试表面28上的，反射光束26沿其原始路径从焦点29反射回去。
在图1的实施例中，偏振光束分离器20的45度表面22放置成使反射光束朝向垂直于垂直入射光束18的方向。放置位置灵敏检测器30来检测从测试表面28和偏振光束分离器20的45度表面22反射的光束26。根据位置灵敏检测器30处进行的测量，信号处理器能以以下详细描述的方式确定表面28的构形。这可以通过常规处理器(未示出)实现。
图2描绘了四个象限A，B，C和D，位置灵敏检测器30提供来自每个象限的输出信号。图2中，z轴被认为是垂直于纸面。用图1所示的布置将坐标系转移到目标29上，目标29上相应坐标可以定义为x和z方向分别是纸面内的水平和垂直方向。y方向垂直于纸面。对于方向法线(direction normal)位于x-z平面内的倾斜，由反射目标表面28的局部倾斜使光束18偏移，使得信号在A，B和C，D象限内增强或削弱。对于方向法线位于y-z平面内的倾斜，增强或削弱产生于A，D和B，C象限中。对于较小的倾斜，以下关系适于mxz＝k1*[(A+B)-(C+D)]/(A+B+C+D)myz＝k2*[(A+D)-(B+C)]/(A+B+C+D)其中k1和k2是被测信号和局部表面斜率之间的比例常数。
假定表面轮廓由x方向上的f(x)表示，则df/dx＝斜率，其中x是沿测量方向的距离。表面28的轮廓或构形可以通过斜率信息的积分由处理器(未示出)进行计算。
由于光束的垂直入射，由位置灵敏检测器30测量的信号仅包含斜率信息。无需提供第二激光器或其它测量来将高度和斜率信息分开，如已知装置中所提供的。
图3示出本发明的另一个方面，其中光学装置被配置成允许装置的整体高度最小。为图3中各个元件所设置的标号与图1的实施例中相同。但是，图3的实施例中，在与指向表面28的垂直入射光束垂直的方向上，激光被产生并指向偏振光束分离器20。偏振光束分离器20的45度反射表面22将会聚光束18重新指向表面28并通过四分之一波片24。取代从在位置灵敏检测器30的垂直方向上的表面28反射的光束，图3的实施例允许反射光束在表面28的垂直入射方向上通过偏振光束分离器20。反射光束射向位置灵敏检测器30。例如在机械间隙有限的应用中这种设置是有用的，诸如在旋转架台上测量较低盘片表面中。关于位置灵敏检测器30来的信号的测量和关系保持与图1实施例中的相同。
本发明的实施例提供一种用于通过使用垂直入射光束偏移法测量超光滑表面的表面构形的光学系统。这种装置降低了测试斑点的尺寸和光束偏移法，特别是与以前的设置相比。通过采用垂直入射光束法和装置，就可以测量超光滑表面的斜率而没有混淆表面高度变化的效果。本发明的各方面提供一种便携式、成本高效和功能适用的装置，且特定实施例提供降低了的装置整体高度。
虽然已经详细描述和说明了本发明，但可以清楚地理解仅是说明和实例而非限制，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种用于测量表面的表面构形的装置，其特征在于，包括线偏振光源，它产生光束；光学器件，它将所述光束聚焦到被测表面上从而提供垂直入射光束的偏移，所述光学器件包括偏振器件从而入射光束具有第一偏振而从所述表面反射的光束具有与第一偏振不同的第二偏振；以及位置灵敏检测器，它被设置来检测所述反射光束。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学器件包括接收光束的半波片。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光学器件还包括长工作的显微镜物镜，它被设置来接收来自所述半波片的光束作为输入并输出会聚光束。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光学器件还包括偏振光束分离器，它被设置来接收半波片的输出作为输入，并产生具有第一偏振的光束作为输出。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光学器件还包括四分之一波片，它被设置来接收具有第一偏振的光束作为输入并在垂直入射到表面的方向上输出光束，来自表面的反射光束由四分之一波片反射向位置灵敏检测器。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一偏振是p偏振而第二偏振是s偏振。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述偏振光束分离器包括一45°反射表面，它被设置来在与垂直入射到表面的方向垂直的方向上反射从表面反射的光束。
8.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述长工作的显微镜物镜在与到表面的垂直入射方向垂直的方向上将会聚光束输出。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述光学器件还包括偏振光束分离器，它具有45°反射表面，被设置来在到表面的垂直入射方向上将会聚光束从长工作的显微镜物镜反射向所述表面。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述光学器件还包括四分之一波片，它被设置来从偏振光束分离器接收具有第一偏振的光束作为输入并输出垂直入射到表面的光束，其中来自表面的反射光束具有第二偏振并由四分之一波片通过偏振光束分离器在垂直于表面的方向上指向位置灵敏检测器。
11.一种测量表面构形的方法，其特征在于，包括以下步骤将第一偏振的光束导向被测表面，光束在垂直入射到表面的方向上被导向表面，其中来自表面的反射光束也垂直入射到表面；将反射光束的偏振改变成与第一偏振不同的第二偏振；将具有第二偏振的反射光束导向位置灵敏检测器；以及根据位置灵敏检测器处得到的测量值确定构形。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述引导光束的步骤包括产生线偏振光的校准光束以及将所述校准光束通过半波片。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述引导光束的步骤还包括将来自半波片的校准光束转换成会聚光束。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述引导光束的步骤包括在垂直入射到表面的方向上透射会聚光束通过偏振光束分离器。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述改变偏振的步骤包括使反射光束通过四分之一波片，它将反射光束的偏振从第一偏振变成第二偏振。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述引导反射光束的步骤包括将偏振光束分离器处的反射光束垂直地反射向位置灵敏检测器。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述引导光束的步骤包括在与到表面的垂直入射方向垂直的方向上将会聚光束导向偏振光束分离器的反射表面，所述反射表面在垂直入射到表面的方向上将会聚光束反射向表面。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述引导反射光束的步骤包括在垂直于表面的方向上将反射光束通过偏振光束分离器透射向位置灵敏检测器。
19.一种用于测量超光滑表面的构形的装置，其特征在于，包括激光源；和用于将激光引导到超光滑表面上并测量所述超光滑表面的构形的装置。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述装置包括光学布置，其被配置来在垂直入射方向上将激光导向超光滑表面。
全文摘要
提供了一种用于诸如磁性记录盘片的超光滑表面的光学轮廓测定仪，用于对被形成轮廓的目标表面的垂直入射光束偏移。第一偏振的线偏振激光在垂直入射方向上聚焦到目标表面上。光束从焦点沿其原始路径反射回。提供将反射光束的偏振变成第二偏振的光学装置。具有第二偏振的反射光束指向位置灵敏检测器用于评估。
文档编号G11B5/82GK1614354SQ20041003424
公开日2005年5月11日 申请日期2004年4月1日 优先权日2003年4月1日
发明者J·王, J·L·普雷塞斯基, S·-F·李 申请人:西加特技术有限责任公司