CN106970507A - 基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法，包括以下步骤：先通过粗调焦设定物镜初始高度，再使用相机分别采集背景图像和信源图像，通过自主设计的图像分析算法，确定该物镜高度对应的聚焦光斑尺寸；使物镜上下移动到不同的高度值，采集一系列光斑尺寸，并用预设算法拟合直线或曲线；通过实验获得最佳刻写效果对应的光斑尺寸，解析拟合直线或曲线得到物镜目标高度并输出给执行器，完成聚焦。本发明可以有效地排除样品表面杂质、反射率对聚焦的干扰，将聚焦精度保持在100nm以内；本发明聚焦速度快，可以大幅降低聚焦光对敏感样品的损坏，从而大大拓宽激光直写系统所能加工的材料的范围，并提高了刻写质量和成品率。

Description

基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法
技术领域
本发明涉及微纳加工技术中的激光直写系统，具体地说是一种基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法。
背景技术
微纳加工是制造微米尺度和纳米尺度微小结构的加工技术总称，结构尺寸从几个纳米到100μm都属于微纳加工的范围。随着光电子器件、半导体器件以及微电子机械器件的小批量、定制化的需求不断地增加，高分辨率、高生产效率、低环境要求、多受体材料兼容的直写式微纳加工设备越来越受到人们的关注。
目前主流的直写微纳加工方法有三种：电子束光刻、聚焦离子束光刻、激光束光刻。由于前两者都需要极为昂贵的成本、严苛的真空环境，且综合生产效率较低，不适合大面积、小批量定制化的器件制备，因此目前应用比较广泛的还是激光束直写光刻。
激光束直写光刻技术属于一种无掩模微纳加工技术手段，激光直写系统的一个核心问题是光束聚焦。通过对高斯光束的光强分布模拟可知，刻写激光的焦深范围往往只有数百纳米(以405nm波长光源、NA＝0.9刻写物镜为例，其焦深约为306nm)，但却有超过90％以上的激光能量聚集于该范围内，而在焦深范围之外，激光能量会急剧降低，导致无法实现有效刻写。
目前激光直写系统普遍采用的光学聚焦技术是利用四象限探测器，采集样品表面的反射光强，并通过象散法计算确定样品准确聚焦对应的物镜高度。但上述方法很难适应样品表面有杂质、样品表面反射率差异较大等情况；并且，象散法需要长时间开启聚焦光源，很容易对某些较为敏感的刻写样品造成破坏；因此，限制了激光直写系统所能加工的材料范围。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法，该方法可拓宽激光直写系统所能加工的材料范围。
本发明的技术方案为：一种基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法，所述激光直写系统包括物镜及相机，所述聚焦方法包括以下步骤：
1)通过粗调焦，将物镜高度置为目标高度附近的某值Zi；打开照明光源，关闭聚焦光源，通过相机采集样品表面的图像；此时的图像只有背景，没有聚焦光斑，称之为背景图像；
2)保持照明光源开启，打开聚焦光源，再次通过相机采集样品表面的图像；此时的图像既有背景，又有聚焦光斑，称之为信源图像；
3)将背景图像和信源图像都转换成灰度图像，再进行消共模差运算，得到信号图像；
4)将信号图像裁剪成以聚焦光斑为中心，但比聚焦光斑稍大的正方形；
5)以聚焦光斑的中心为圆心，计算不同半径R对应的圆周上的平均灰度值I，得到R-I曲线图；
6)搜索R-I曲线图，找到半径最大的极值点Imzx，乘以修正系数K，得到边界灰度Ith，再通过查找R-I曲线图，找到Ith对应的半径Rth，此时的Rth即是物镜高度为Zi时，聚焦激光光斑的尺寸；
7)使物镜上下移动到不同的高度值，重复步骤1)-6)，得到一系列的Zi以及每一个Zi对应的Rth，绘制为Z-R散点图，并以最小二乘法做直线拟合；如果直线拟合不能使聚焦精度达到100nm以下，则改用多项式拟合法，拟合曲线；
8)然后通过解析步骤7)中得到的拟合直线或曲线，确定Rs对应的Zs，将Zs输出为物镜高度值，聚焦完成。
进一步地，步骤1)中的粗调焦，是使样品或物镜移动，使其相对距离在焦点附近，精度为±5μm。
进一步地，步骤3)中的灰度图像为8bit位深度。
进一步地，步骤3)中的消共模差运算，是将两幅尺寸和位深度都相同的图片相减，去除两幅图片相同的区域，保留两幅图片不同的区域，输出为一张新的图片。
进一步地，步骤8)中的最佳刻写效果，是指相比一般的刻写效果，样品敏感层接收到的激光能量更高，刻写过的区域反射率更均匀，图像特征更清晰。
进一步地，在获得步骤8)所述的最佳刻写效果时，根据相机所采集到的信号图像解析出光斑尺寸Rs。
进一步地，相机包括CCD相机、CMOS相机及其他图像传感器。
本发明的技术效果在于：本发明可以有效地排除样品表面杂质、反射率对聚焦的干扰，将聚焦精度保持在100nm以内；本发明聚焦速度快，聚焦光源亮起时间短，可以大幅降低聚焦光对敏感样品的损坏，从而大大拓宽激光直写系统所能加工的材料的范围，并提高了刻写质量和成品率。
附图说明
图1为本发明中的背景图像。
图2为本发明中的信源图像。
图3为本发明中的信号图像。
图4为本发明中的R-I曲线图。
图5为本发明中的Z-R散点图及拟合直线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
一种基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法，所述激光直写系统包括物镜及相机，所述聚焦方法包括以下步骤：
1)固定好玻璃基底上40nm厚度的Sn薄膜样品，通过粗调焦，将物镜高度置为目标高度附近的某值Zi，此处Zi为52μm；打开LED照明光源，关闭聚焦光源，通过相机采集样品表面的图像；此时的图像只有背景，没有聚焦光斑，称之为背景图像；如图1所示。粗调焦使用精密螺纹电动螺母，或者压电陶瓷，或者直线电机，带动样品或物镜移动，使其相对距离在焦点附近，精度为±5μm。
2)保持LED照明光源开启，打开聚焦光源，再次通过相机采集样品表面的图像；此时的图像既有背景，又有聚焦光斑，称之为信源图像；如图2所示。
3)将图1的背景图像和图2的信源图像都转换成8bit位深度的灰度图像，并进行高斯滤波和消共模差运算处理，去除杂散噪声，降低样品表面杂质对光斑分析造成的干扰，得到如图3所示的左侧图像；此时的图像称之为信号图像。消共模差运算的原理是将两幅图像转换为矩阵，然后相减，再输出为一张新的图像。
4)将信号图像裁剪成以聚焦光斑为中心，但比聚焦光斑稍大的正方形；如图3所示的右侧图像。这样可以大大减小后续的计算量，提高算法执行速度。
5)计算出图3右侧图像内，以聚焦光斑的中心为圆心，计算不同半径R对应的圆周上的平均灰度值I，得到R-I曲线图；如图4所示。
6)搜索R-I曲线图，找到半径最大的极值点Imax，乘以修正系数K，得到边界灰度Ith，再通过查找R-I曲线图，找到Ith对应的半径Rth，此时的Rth即是物镜高度为Zi时，聚焦激光光斑的尺寸。
7)使物镜上下移动到不同的高度值，重复步骤1)-6)，使Zi从50μm-53.5μm连续步进，得到一系列的Zi以及每一个Zi对应的Rth，绘制为Z-R散点图，并以最小二乘法做直线拟合；如图5所示。
8)通过刻写实验，确定激光直写系统实际工作时的最佳刻写效果对应的光斑尺寸Rs为89个像素，然后通过解析步骤7)中得到的拟合直线，确定Rs对应的Zs为51.2μm，将物镜高度设置为51.2μm，并将此高度输出给执行器，聚焦完成。此时，激光直写系统的物镜达到较为理想的聚焦位置。执行器一般为压电陶瓷或其他精密微动部件。
上述实施例中，相机包括CCD相机、CMOS相机及其他图像传感器。
本发明首先通过高分辨率相机采集样品表面的图像信息，然后利用自主设计的图像分析算法，对其进行分析与处理，得到聚焦激光光斑尺寸与物镜高度之间的映射关系，最后找出最佳聚焦状态对应的光斑尺寸并动态追踪，从而实现激光直写系统的聚焦。这种基于图像分析的聚焦方法，相比于传统的四象限聚焦方法，不仅可以排除样品表面杂质的干扰，还可以在保证聚焦精度的前提下，适应各种不同反射率的材料，且本方法聚焦速度快，聚焦光源亮起时间短，可以降低聚焦光对敏感样品的损坏，因此可拓宽激光直写系统所能加工的材料范围。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明专利的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法，所述激光直写系统包括物镜及相机，其特征是，所述聚焦方法包括以下步骤：
1)通过粗调焦，将物镜高度置为目标高度附近的某值Zi；打开照明光源，关闭聚焦光源，通过相机采集样品表面的图像；此时的图像只有背景，没有聚焦光斑，称之为背景图像；
2)保持照明光源开启，打开聚焦光源，再次通过相机采集样品表面的图像；此时的图像既有背景，又有聚焦光斑，称之为信源图像；
3)将背景图像和信源图像都转换成灰度图像，再进行消共模差运算，得到信号图像；
4)将信号图像裁剪成以聚焦光斑为中心，但比聚焦光斑稍大的正方形；
5)以聚焦光斑的中心为圆心，计算不同半径R对应的圆周上的平均灰度值I，得到R-I曲线图；
6)搜索R-I曲线图，找到半径最大的极值点Imax，乘以修正系数K，得到边界灰度Ith，再通过查找R-I曲线图，找到Ith对应的半径Rth，此时的Rth即是物镜高度为Zi时，聚焦激光光斑的尺寸；
7)使物镜上下移动到不同的高度值，重复步骤1)-6)，得到一系列的Zi以及每一个Zi对应的Rth，绘制为Z-R散点图，并以最小二乘法做直线拟合；如果直线拟合不能使聚焦精度达到100nm以下，则改用多项式拟合法，拟合曲线；
8)然后通过解析步骤7)中得到的拟合直线或曲线，确定最佳刻写效果时的光斑尺寸Rs对应的Zs，将Zs输出为物镜高度值，聚焦完成。
2.按照权利要求1所述的基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法，其特征是：步骤1)中的粗调焦，是使样品或物镜移动，使其相对距离在焦点附近，精度为±5μm。
3.按照权利要求1所述的基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法，其特征是：步骤3)中的灰度图像为8bit位深度。
4.按照权利要求1所述的基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法，其特征是：步骤3)中的消共模差运算，是将两幅尺寸和位深度都相同的图片相减，去除两幅图片相同的区域，保留两幅图片不同的区域，输出为一张新的图片。
5.按照权利要求1所述的基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法，其特征是：步骤8)中的最佳刻写效果，是指相比一般的刻写效果，样品敏感层接收到的激光能量更高，刻写过的区域反射率更均匀，图像特征更清晰。
6.按照权利要求1所述的基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法，其特征是：在获得步骤8)所述的最佳刻写效果时，根据相机所采集到的信号图像解析出光斑尺寸Rs。
7.按照权利要求1所述的基于在线图像分析的激光直写系统的聚焦方法，其特征是：相机包括CCD相机、CMOS相机及其他图像传感器。
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