用原子力顯微鏡測(cè)量光盤(pán)的凹坑形貌

1、維晉資訊 維晉資訊 測(cè)量與設(shè)備維晉資訊 維晉資訊 用原子力顯微鏡測(cè)量光盤(pán)的凹坑形貌景蔚萱蔣莊德西安交通大學(xué)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(diǎn)和影軻光盤(pán)播枚質(zhì)最的主要參數(shù),苴次用AF何對(duì)光盤(pán) 上記錄侑息用的凹坑深度，凹坑長(zhǎng)度和側(cè)壁甬度等關(guān)鏈參數(shù)進(jìn)行了測(cè)SL并對(duì)測(cè)董結(jié)果進(jìn)行了分析*笑詞 原子力廉徽鏡 光盤(pán) 凹坑長(zhǎng)度 凹坑探度 側(cè)壁角度維晉資訊 一、概述DVD光盤(pán)具有存儲(chǔ)量大、成本低、精度高和信 息保存壽命辰等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為主要的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存介 質(zhì)。它的信息是以凹坑的形式存儲(chǔ)于盤(pán)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(pán)的讀出信號(hào)質(zhì)量，如 高頻帽度、不對(duì)稱(chēng)性和推挽跟蹤信號(hào)等。AFM可直接進(jìn)行三維測(cè)量其垂直方向的分辨 力為亞納米級(jí)水平方向的分辨力為納米級(jí)，所以能 夠在納米尺度上對(duì)CD/DVD上的信息位凹坑結(jié)構(gòu) 進(jìn)行三維測(cè)重進(jìn)而找岀影響光盤(pán)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(duì)樣品無(wú) 破壞的特點(diǎn)，是分析CDZDVD盤(pán)片質(zhì)量的重要工 Ao二、光盤(pán)質(zhì)的檢測(cè)方法CDZDVD光盤(pán)參數(shù)主要分為機(jī)械參數(shù)、光學(xué)參 數(shù)和記錄參數(shù)。盤(pán)片播放時(shí),記錄參數(shù)真正反映了 盤(pán)片的播放性和兼容性因此記錄參數(shù)是盤(pán)片測(cè)試 時(shí)的重點(diǎn)"。光盤(pán)的生產(chǎn)工藝參數(shù)決定了光盤(pán)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(pán)的 播放威量和兼容性。光盤(pán)質(zhì)螟檢測(cè)方袪主要有兩 種;間接質(zhì)議檢測(cè)和直接質(zhì)量檢測(cè)。以光盤(pán)分折儀 為代表的間接質(zhì)燉檢測(cè)方袪，B的是分析光盤(pán)的播 放性能的好壞，測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)為生產(chǎn)工藝參數(shù)與盤(pán) 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(cè)方法，目的是測(cè)厳光盤(pán)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(pán)片電氣性能之間的關(guān)系，進(jìn)而找出於響盤(pán)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(duì)CD光盤(pán) 所成的圖象。光盤(pán)樣品為半成詁盤(pán)，即注魄過(guò)程完成 后還未蒸鍍反射薄膜的盤(pán)片，這樣可以使AFM探針 對(duì)光盤(pán)表面的信息位凹坑幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)象。所用 AFN1 為 NanuScupeHI AFM(Digital Instrument, Inc, )D 測(cè)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(cè)餓得到的。圖3計(jì)量捕術(shù)2004.No 3維晉資訊 :則螢與設(shè)備維晉資訊 維晉資訊 】««壬吟三信恵位凹坑測(cè)璧角度的測(cè)圖4是對(duì)光盤(pán)信息位凹坑的導(dǎo)人角惟進(jìn)行測(cè)量 得到的結(jié)果導(dǎo)人角度的平均值為8 + 69標(biāo)準(zhǔn)偏 差為2.96

5、最小值為4.06%最大值為14.19導(dǎo)人 角度的分散范圍A10.1320T T 1 T T rI III I I II j01020304050607080測(cè)量序號(hào)圖4圖5是對(duì)光盤(pán)信息位凹坑的導(dǎo)出角度進(jìn)行測(cè)量 得到的結(jié)果。導(dǎo)出角度的平均值為2.98標(biāo)準(zhǔn)偏 差為0.25最小值為2.3叭最人值為,4廣導(dǎo)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(pán)信息位凹坑進(jìn)行相互作用，進(jìn)而造成圖象失真 而產(chǎn)生的口在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)盡可能減小信息位凹坑的側(cè) 壁角度及英波動(dòng),因?yàn)閭?cè)壁角度不但影響讀出信號(hào)的 過(guò)零點(diǎn)，而且還影響讀岀信號(hào)的凋制度*進(jìn)一步的分 析表明，由于讀出信號(hào)的中

6、點(diǎn)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(gè)偏移”從而 會(huì)影響光盤(pán)的另一個(gè)重要參數(shù)一抖晃。因此,在生產(chǎn) 過(guò)程屮應(yīng)注意母盤(pán)的磨損、拔模斜度的控制,母盤(pán)制 造過(guò)程中記錄激光的波長(zhǎng)、對(duì)準(zhǔn)條件、光路設(shè)計(jì)、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(cè)壁角度在容許的范圍內(nèi)液動(dòng)。四、僧息位凹坑課度和凹坑長(zhǎng)度的測(cè)圖6給出了對(duì)光盤(pán)上信息位凹坑的長(zhǎng)度和深度 進(jìn)行測(cè)晴所得的結(jié)果?？梢院苊黠@地看出信息位凹 坑的長(zhǎng)度和深度具有強(qiáng)烈的相關(guān)關(guān)兼。在所得到的 測(cè)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(zhǎng)度的分散范圍在820.31ntn 3750nm之

7、間戶(hù)同時(shí)還可以看岀，凹坑長(zhǎng)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(hào)進(jìn)行分類(lèi)相一致的.在每一個(gè)T號(hào)組 內(nèi).凹坑長(zhǎng)度和凹坑深度分別有一個(gè)毘小值,且凹坑 長(zhǎng)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(hào)圖§信息位凹坑的惻壁倉(cāng)度（包括導(dǎo)人角度和導(dǎo)出 角度）是在生產(chǎn)過(guò)程中形成的，是不可避免的。例 如,在刻錄母盤(pán)時(shí)'由于聚焦光斑能量的分布近似為 高斯分布，且激光器的開(kāi)關(guān)過(guò)程有一亍延遲，所以會(huì) 便母輒凹坑側(cè)壁有 個(gè)傾角匚而在用模扳進(jìn)行注環(huán) 壓制盤(pán)片時(shí),為了便于拔模，減少?gòu)U品，也要求母盤(pán)

8、信息位凹坑側(cè)壁有一個(gè)傾角。這些是導(dǎo)人角度和好 出角度產(chǎn)生的主要原因。另外，導(dǎo)人角度的平均值（8.69*）和導(dǎo)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(guò)程中由于脫模時(shí)模具的不平行分離所造 城的;另一方面是在用AFM對(duì)光盤(pán)進(jìn)行成象的過(guò)5001000 1500 2000 2500 3000 3500 4000凹坑長(zhǎng)ffifnin）圖6從圖6測(cè)量結(jié)果可以看出，凹坑按度和凹坑棵 度不但強(qiáng)烈相關(guān),而且凹坑長(zhǎng)度尺寸的分散狀況是 以小范圍的集中為特征，這說(shuō)明凹坑深度有一個(gè)臨 界值，且這個(gè)臨界深度取決于凹坑長(zhǎng)度的大小 即不同的T號(hào)組人對(duì)不同的臨界坑深凹坑長(zhǎng)度 有一個(gè)對(duì)應(yīng)的最小值，

9、以保證讀岀信號(hào)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(cè)星與設(shè)備維晉資訊 維晉資訊 制度。在不同的凹坑長(zhǎng)度尺寸分段范圍內(nèi)，存在相 應(yīng)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(hào)的調(diào)制度口在圖&的 測(cè)量結(jié)果中，根據(jù)凹坑長(zhǎng)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(pán)生產(chǎn)過(guò)程中,必須對(duì)凹坑深度和凹坑長(zhǎng)度 的影響因索多加注意。例如，在制作母盤(pán)時(shí),考慮到 壓盤(pán)時(shí)母盤(pán)的磨損、注塑過(guò)程中工藝參數(shù)（溫度

10、、保持 時(shí)間、保持壓力、冷卻效率等）的變化會(huì)使坑深上下波 幼,曝光時(shí)間和顯影時(shí)間都應(yīng)該足夠長(zhǎng)，使得實(shí)際坑 深大于臨界坑深;另外,必須保證母盤(pán)的表面組糙度 達(dá)到一定的水平,否則會(huì)便注塑出來(lái)的光盤(pán)上信息位 凹坑邊緣在廩操作時(shí)發(fā)生衍射，影響讀出信號(hào)的質(zhì) 量JL其對(duì)于DVD光盤(pán)，由于其信息位特彳iE尺寸更 小，更應(yīng)該保證母盤(pán)表面樹(shù)糙度。至于凹坑長(zhǎng)度，不 但要保證其長(zhǎng)度準(zhǔn)確t而且應(yīng)控制其波動(dòng)在一定的范 圍內(nèi)因?yàn)榘伎娱L(zhǎng)度的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)度失調(diào),進(jìn)而造 成通道位長(zhǎng)度的波動(dòng)，形成非對(duì)稱(chēng)性誤差，圮后產(chǎn)生 抖晃"要把凹坑長(zhǎng)度誤差限制在淀的容許范嗣內(nèi)* 需要嚴(yán)格控制制件母盤(pán)吋的曝光工藝參數(shù)，諸如激光 能量水

11、平、曙光時(shí)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(cè)量光盤(pán)上倍息符 的形貌參數(shù)*諸如凹坑長(zhǎng)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(duì)光盤(pán)播放性能（高 頻幅度、不對(duì)稱(chēng)性和推挽跟蹤信號(hào)等）的具體影響這 樣就把允盤(pán)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(pán)播放性能有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。 這種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使得AFM在未來(lái)的高密、高速以及 海常存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究中將會(huì)發(fā)揮重要的作用。參老文itt門(mén)徐端察.Jt盤(pán)存儲(chǔ)采統(tǒng)設(shè)計(jì)原理京:國(guó)騎工業(yè)出版社, 20004:24-362 馬立軍”徐端雁.DVI）盤(pán)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(mǎi)車(chē)有限公司，上海201805）摘要本文描

14、述了在轉(zhuǎn)角裝配控制過(guò)程中轉(zhuǎn)角、屈服點(diǎn)、延伸率和夾贛厚度的關(guān)系，并推導(dǎo)出計(jì)算轉(zhuǎn)配后的 延伸率和已知延忡率計(jì)算轉(zhuǎn)角的公武,舉例說(shuō)明了轉(zhuǎn)角控制（耕彈性裝配或屈腿點(diǎn)控制）的優(yōu)克。關(guān)詞轉(zhuǎn)角控制裝配屈眼點(diǎn)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(chēng)超彈性裝配就是 屈服點(diǎn)裝配方法的一種。在裝配過(guò)程中，首先確定 一個(gè)轉(zhuǎn)角起始扭葩例如圖1中，是M8.M8.8級(jí)的 螺栓'起始扭矩從20Nf±2Nf開(kāi)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(kāi)始，轉(zhuǎn)25“扭世 達(dá)到36N'm螺栓材料屈服，然后再繼

15、續(xù)轉(zhuǎn)仍S裝 配機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)裝配過(guò)程結(jié)束°轉(zhuǎn)角裝配的優(yōu) 點(diǎn)是:在裝配過(guò)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(qiáng)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(guó)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(jì)盤(pán)技術(shù)2004、No3維晉資訊 測(cè)屋與設(shè)備維晉資訊 維晉資訊 轉(zhuǎn)角起始點(diǎn)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(jiàn)表1超彈性裝配的起始扭矩MMNtn）和轉(zhuǎn)角（度）及攝小最大預(yù)緊力尸伽時(shí) FMmus（kN）.但是又特別提示”表中的數(shù)據(jù)僅適合 標(biāo)準(zhǔn)螺栓.井且?jiàn)A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(yīng)45至9（/或在9CT至1割F之間*具休的癥轉(zhuǎn)角 度必須通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算來(lái)確定。在實(shí)際生產(chǎn)中，僅按表1中選擇的轉(zhuǎn)肅來(lái)控制 螺栓的趙彈性裝配，有時(shí)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(jī)支架固 定時(shí)*發(fā)電機(jī)支架為2mm厚的鋼板，裝配的是M10 鍍鋅螺栓、強(qiáng)度級(jí)別M&8級(jí)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(yù)緊力FMmin.FMmM（kN）強(qiáng)度級(jí)別預(yù)擰緊扭矩Nm十期轉(zhuǎn)角預(yù)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(cè)量與設(shè)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(diǎn).然J&再族轉(zhuǎn)90fl±'15由于這個(gè)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(guò)90N'm左右具有 良好的防松功能。但繪在裝配過(guò)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(qiáng)度M8.8級(jí)的螺栓，材料的最 小延伸率為10%a通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)我們得岀、當(dāng)裝配 到轉(zhuǎn)角20&

19、quot;左右肓螺栓材料開(kāi)始屈服.再轉(zhuǎn)了滬才能 完成整個(gè)裝配過(guò)程。這時(shí).我們可以計(jì)算岀螺栓夾 緊部分的延伸率沢假設(shè)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(dá)到屈 服點(diǎn)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(shí)夾緊的厚度，單位:mmo則 $= x 100% = 14.6%從計(jì)算可以看出，按照這種工藝裝配，螺栓材料 的延神率可達(dá)14.6%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò)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(shí)計(jì)算出的螺栓 材料的延忡率僅有1.46

20、%,螺栓肯定不會(huì)斷裂。四、轉(zhuǎn)角與屈服點(diǎn)從表1中査出丫對(duì)標(biāo)準(zhǔn)螺栓，完成轉(zhuǎn)角裝配以后, 繪大扭矩可達(dá)SIN而我們裝配的是一個(gè)特制的組 合螺栓，完成裝配過(guò)程以后.最大扭矩可達(dá)90Nm,這 主要是因?yàn)槁菟ǘ嗣婕哟蠛吐菟ú牧蠌?qiáng)度較高，所以 實(shí)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(guò)以上公式推導(dǎo)出需要的控制角度公式，計(jì)算 所需要的轉(zhuǎn)角控制度數(shù),公式中25°是從爲(wèi)始扭矩 20N*m?F始轉(zhuǎn)到螺栓材料開(kāi)始屈服的度數(shù)。假設(shè) 將螺栓的屈服點(diǎn)控制在1%以?xún)?nèi).則：則計(jì)算出采用轉(zhuǎn)角裝配時(shí)*夾緊厚度為2mmT 當(dāng)從起始扭矩40Nm開(kāi)始轉(zhuǎn)角控制需要轉(zhuǎn)30幕 但是,有時(shí)計(jì)算出的度數(shù)可能不是整數(shù)t當(dāng)螺栓材料 屈服以后，多轉(zhuǎn)幾度和少轅幾度對(duì)裝配幾乎沒(méi)有彰 響.所以我們?cè)谟?jì)算出角度以后，一般取3045 6090120150180 常用的是 456090對(duì)于以上計(jì)算出的轉(zhuǎn)角，應(yīng)取30%采用轉(zhuǎn)角控制，不但充分的利用了螺栓材 料的強(qiáng)度，而R螺栓肯定不會(huì)