CN110262193A - 一种应用于双光束光刻的光束对准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于双光束光刻的光束对准系统及方法，具体步骤包括：设置双光束对准系统；发射第一光束并调整所述物镜，使所述第一光束依次经第一二向色镜、第二二向色镜和所述物镜后到达上转换荧光片表面，调节探测单元的光路位置，至所述探测单元探测到的最强荧光信号处；发射所述第一光束和第二光束，调节所述第二二向色镜的位置，至所述探测单元探测到的最强荧光信号处；沿光路方向调节所述物镜的位置，至所述探测单元探测到的最强荧光信号处。本发明通过上转换荧光片激发反射的荧光信号强度来对准双光束焦点，使对准精度更高，且对准操作更为简洁迅速；同时，利用上转换荧光片的特性使成像的分辨率提高，进而使双光束对准更加准确。

Description

一种应用于双光束光刻的光束对准系统及方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是一种应用于双光束光刻的光束对准系统及方法。

背景技术

电子器件的集成化和小型化已成为微电子发展的主要趋势，这就对现代微电子光刻技术提出了越来越高的要求，目前通过采用双激光光束的方式对微电子器件进行直写加工，从而使光刻线宽超越衍射极限；在用双激光光束进行直写光刻工序前，需要对双光束进行严格对准，以保证光刻的质量。

请参阅图1和图2，图1是现有技术中双光束光刻的光束对准方法一实施方式的装置示意图，图2是现有技术中双光束光刻的光束对准方法一实施方式的原理示意图。目前现有技术中双光束对准方法为：于同一直线光路上依次设置光电探测器301、第三小孔302、第五透镜303、第一二向色镜401、第二二向色镜402、物镜501、样品502和三维位移台503，第一二向色镜401和第二二向色镜402以预设角度设置，用于分别接收来自第一激光发射器101的第一光束和第二激光发射器102的第二光束，第一激光发射器101至第一二向色镜401之间依次设置有第一透镜102、第一小孔103和第二透镜104，第二激光发射器201至第二二向色镜402之间依次设置有第三透镜202、第二小孔203和第四透镜204；发射第一光束并通过第一二向色镜401来调节第一光束与物镜光瞳的垂直度，发射第二光束并通过第二二向色镜402来调节第二光束与物镜光瞳的垂直度；在样品502表面上设置银颗粒504，仅发射第一光束并调整物镜，使第一光束依次经第一二向色镜401、第二二向色镜402和物镜501后到达样品502表面上的银颗粒504处，第一光束被银颗粒504反射，并依次经第二二向色镜402、第一二向色镜401、第五透镜303和第三小孔302后，被光电探测器301所采集，调节第三小孔302的位置，至光电探测器采集到的最强光信号处，此时第三小孔302位于第五透镜303的交点处，即确定共聚焦系统；在确定共聚焦系统后，控制三维位移台503在水平方向上位移运动，使第一光束对银颗粒504的不同位置进行扫描，并被银颗粒504反射后由光电探测器一一采集其不同位置处的反射光强度，如图2(a)中所示，由于银颗粒504表面是一曲面，故激光扫描到银颗粒504表面不同位置时，其反射光的方向不一样，进而光电探测器所得反射光强度也不一样，只有第一光束中心打在银颗粒504中心位置时，反射光信号最强，再结合整体扫描范围合成一副灰度图，将三维位移台503移动至该灰度图中的光斑中心处，然后控制三维位移台503在垂直方向上位移运动，如图2(b)中所示，至光电探测器301探测到的最强光信号处，由此可记录第一光束的焦点空间坐标；在第一光束的焦点空间坐标确定后，仅发射第二光束，并重复上一个步骤，以得到第二光束的焦点空间坐标，根据第一光束和第二光束两者间的焦点相对位置，调节第二二向色镜402，使第二光束的焦点在水平方向上与第一光束的焦点重合，同时调节第四透镜204，使第二光束的焦点在垂直方向上与第一光束的焦点重合，由此便完成了双光束在空间上的中心对准。

由上述传统对准方法可知，现有技术对准方法是基于对单个银颗粒反射光强度来对准双光束焦点的，即仅针对单个银颗粒所在位置处进行了对准操作，而并未对样品所在平面整体进行对准操作，若需要采用现有技术对样品所在平面整体进行对准操作，就必须取多个银颗粒进行多次重复对准操作，在实际操作中此方式颇为繁复且耗时久；另一方面，单个银颗粒的形貌状况也会对对准精度造成较大的影响，取多个不同银颗粒进行多次重复对准操作时，对准精度会因银颗粒形貌的不同而产生波动。故现有技术中基于对单个银颗粒反射光强度来对准双光束焦点的方法存在较大的局限性，需要提出一种新的双光束对准方法用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种应用于双光束光刻的光束对准系统及方法，用于解决现有技术中基于单个银颗粒的双光束对准方法繁复耗时，且对准精度波动较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了第一个解决方案：提供一种应用于双光束光刻的光束对准系统，包括第一激光单元、第二激光单元、探测单元、滤波片、第一二向色镜、第二二向色镜、物镜、上转换荧光片和三维位移台，其中，于同一直线光路上依次设置探测单元、滤波片、第一二向色镜、第二二向色镜、物镜、上转换荧光片和三维位移台，第一二向色镜和第二二向色镜以预设角度设置，用于分别接收来自第一激光单元的第一光束和第二激光单元的第二光束。

优选的，第一激光单元包括第一激光发射器、第一透镜、第一小孔和第二透镜，第一激光发射器、第一透镜、第一小孔和第二透镜沿同一直线光路依次设置，且第二透镜靠近第一二向色镜设置。

优选的，第二激光单元包括第二激光发射器、第三透镜、第二小孔和第四透镜，第二激光发射器、第三透镜、第二小孔和第四透镜沿同一直线光路依次设置，且第四透镜靠近第二二向色镜设置。

优选的，探测单元包括光电探测器、第三小孔、分束镜、相机窗口和第五透镜，光电探测器、第三小孔、分束镜和第五透镜沿同一直线光路依次设置，且第五透镜靠近滤波片设置；分束镜以预设角度设置，用于向相机窗口传递光斑形貌；通过调节第三小孔的三维空间位置，使探测单元的光路位置进行调整。

优选的，第一光束传至上转换荧光片后激发出第一激发荧光，第二光束传至上转换荧光片后激发出第二激发荧光，且第一激发荧光和第二激发荧光被光电探测器探测。

优选的，滤波片具有滤除第一光束和第二光束，并仅使第一激发荧光和第二激发荧光通过的功能。

优选的，三维位移台上设置有通光窗口，上转换荧光片设置于三维位移台上的通光窗口处，并随三维位移台进行位置调整。

优选的，于三维位移台远离上转换荧光片一侧的通光窗口处设置有照明光源，照明光源用于提供背底光源。

优选的，上转换荧光片具有使低光子能量激光激发出高光子能量荧光的功能。

为解决上述技术问题，本发明提供了第二个解决方案：提供了一种应用于双光束光刻的光束对准方法，具体步骤包括：设置前述应用于双光束光刻的光束对准系统；发射第一光束并调整物镜，使第一光束依次经第一二向色镜、第二二向色镜和物镜后到达上转换荧光片表面，调节探测单元的光路位置，至探测单元探测到的最强荧光信号处；发射第一光束和第二光束，调节第二二向色镜的位置，至探测单元探测到的最强荧光信号处；沿光路方向调节物镜的位置，至探测单元探测到的最强荧光信号处。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明引入上转换荧光片和滤光片，通过上转换荧光片表面激发反射的荧光信号强度来对准双光束焦点，使对准精度更高，且对准操作更为简洁迅速；同时，利用上转换荧光片的特性使成像的分辨率提高，进而使双光束对准更加准确。

附图说明

图1是现有技术中双光束光刻的光束对准方法一实施方式的装置示意图；

图2是现有技术中双光束光刻的光束对准方法一实施方式的原理示意图；

图3是本发明中应用于双光束光刻的光束对准系统一实施方式的示意图；

图4是本发明中应用于双光束光刻的光束对准方法一实施方式的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

请参阅图3和图4，图3是本发明中应用于双光束光刻的光束对准系统一实施方式的示意图，图4是本发明中应用于双光束光刻的光束对准方法一实施方式的原理示意图，其中，1为第一激光单元，11为第一激光发射器，12为第一透镜，13为第一小孔，14为第二透镜，2为第二激光单元，21为第二激光发射器，22为第三透镜，23为第二小孔，24为第四透镜，3为探测单元，31为光电探测器，32为第三小孔，33为分束镜，34为相机窗口，35为第五透镜，4为滤波片，5为第一二向色镜，6为第二二向色镜，7为物镜，8为上转换荧光片，9为三维位移台。本发明中应用于双光束光刻的光束对准系统包括第一激光单元1、第二激光单元2、探测单元3、滤波片4、第一二向色镜5、第二二向色镜6、物镜7、上转换荧光片8和三维位移台9，于同一直线光路上依次设置探测单元3、滤波片4、第一二向色镜5、第二二向色镜6、物镜7、上转换荧光片8和三维位移台9，第一二向色镜5和第二二向色镜6以预设角度设置，用于分别接收来自第一激光单元1的第一光束和第二激光单元2的第二光束，此处的预设角度可使第一光束和第二光束分别经过第一二向色镜5和第二二向色镜6时，均能照射到上转换荧光片8表面，其预设角度可根据实际情况进行适应性调整，在此不作限定。在进行下一个步骤之前，可对第一光束和第二光束的平行度和垂直度进行调整，具体操作与现有技术中的调节方式相似，在此不做赘述。

具体地，对本实施方式中所采用的各器件装置进行详述。本实施方式中，第一激光单元1包括第一激光发射器11、第一透镜12、第一小孔13和第二透镜14，第一激光发射器11、第一透镜12、第一小孔13和第二透镜14沿同一直线光路依次设置，且第二透镜14靠近第一二向色镜5设置；第二激光单元2包括第二激光发射器21、第三透镜22、第二小孔23和第四透镜24，第二激光发射器21、第三透镜22、第二小孔23和第四透镜24沿同一直线光路依次设置，且第四透镜24靠近第二二向色镜6设置；第一激光发射器11用于向第一二向色镜5发射第一光束，第二激光发射器21用于向第二二向色镜6发射第二光束，第一光束和第二光束的波长可根据实际情况进行选择，在此不作限定。

探测单元3包括光电探测器31、第三小孔32、分束镜33、相机窗口34和第五透镜35，光电探测器31、第三小孔32、分束镜33和第五透镜35沿同一直线光路依次设置，且第五透镜35靠近滤波片设置；分束镜33以预设角度设置，用于向相机窗口34传递光斑形貌，此处的预设角度可使荧光经分束镜33传送至相机窗口34，其预设角度可根据实际情况进行适应性调整，在此不作限定；通过调节第三小孔32的三维空间位置，使探测单元3的光路位置进行调整。

本实施方式中，上转换荧光片8具有使低光子能量激光激发出高光子能量荧光的功能，即可以用长波长的激光激发出短波长的荧光，而选用上转换荧光片的目的在于短波长荧光更有利于高分辨率成像，以提高双光束的对准精度；关于上转换荧光片8的材料选择，可选用上转换玻璃材料，包括但不限于掺铥或铒的稀土或非稀土元素，无机或有机材料，在此不作限定；第一光束传至上转换荧光片8后激发出第一激发荧光，第二光束传至上转换荧光片8后激发出第二激发荧光，且第一激发荧光和第二激发荧光被光电探测器31探测，而滤波片4设置于探测单元3与第一二向色镜5之间，其目的在于滤除第一光束和第二光束，并仅使第一激发荧光和第二激发荧光通过，从而使光电探测器31仅接收到荧光信号，保证探测荧光强度的准确度。

三维位移台9设置有通光窗口，上转换荧光片8置于三维位移台上的通光窗口处，并随三维位移台9行位置调整；于三维位移台9离上转换荧光片8一侧的通光窗口处设置有照明光源91，照明光源91用于提供背底光源，使相机窗口34处获得的光斑更加清晰。

本发明中应用于双光束光刻的光束对准方法，具体步骤如下：

步骤1：设置前述应用于双光束光刻的光束对准系统。

步骤2：发射第一光束并调整物镜，使第一光束依次经第一二向色镜、第二二向色镜和物镜后到达上转换荧光片表面，调节探测单元的光路位置，至探测单元探测到的最强荧光信号处。本步骤中，具体地，打开第一激光发射器11，关闭第二激光发射器21，仅发射第一光束，以上转换荧光片8所在面为基准，通过沿垂直方向调节物镜，并在相机窗口34处观察，使第一光束打在上转换荧光片8的表面，然后调节第三小孔32的位置，当光电探测器荧光信号最强时，即小孔3正好在透镜5的焦点位置，完成了共聚焦系统校准。

步骤3：发射第一光束和第二光束，调节第二二向色镜的位置，至探测单元探测到的最强荧光信号处。本步骤中，如图4中(a)所示，打开第一激光发射器11和第二激光发射器21，使第一光束和第二光束均发射，此时第一光束位置保持不变，即光电探测器31所接收到的第一荧光的荧光强度是不变的，通过调节第二二向色镜6，使第二光束在水平方向上位移，光电探测器31同时也在实时记录第二荧光的荧光强度，当光电探测器31得到最大的荧光强度时，说明此时第一光束与第二光束焦点共轴，即第一光束与第二光束焦点在水平面上重合，由此完成水平方向上的对准。

步骤4：沿光路方向调节物镜的位置，至探测单元探测到的最强荧光信号处。本步骤中，如图4中(b)所示，保持第一光束和第二光束的发射，沿垂直方向调节第四透镜24，使第二光束的焦点沿垂直方向位移，光电探测器31亦同时记录第一荧光和第二荧光的荧光强度，当光电探测器31得到最大的荧光强度时，说明第一光束和第二光束的焦点在竖直方向上完成了对准。当第一光束和第二光束在水平方向和竖直方向上均完成对准后，即完成了双光束在三维空间的中心对准。

在上述应用于双光束光刻的光束对准方法的基础上，亦可根据实际情况增加其他辅助性的光学元件，如增加改变光的相位的偏光片，但并不影响上述双光束的对准，故在此不作限定。

由本发明中应用于双光束光刻的光束对准方法与传统对准方法对比后可知，传统对准方法是以单个银颗粒反射光信号强度来校准双光束焦点，即仅针对单个银颗粒所在位置处进行了对准操作，而并未对样品所在平面整体进行对准操作；而本发明引入上转换荧光片和滤光片，通过上转换荧光片表面激发反射的荧光信号强度来对准双光束焦点，对样品所在的整个平面均进行对准操作，相当于在传统对准方法的基础上进行了积分，使对准精度更高，并避免多次重复操作，使对准操作更为简洁迅速；同时，亦解决了传统对准方法中单个银颗粒的形貌状况会对对准精度造成影响的问题。此外，利用上转换荧光片将长波长的激光激发出短波长的荧光的特性，使成像的分辨率提高，进而使双光束对准更加准确。

区别于现有技术的情况，本发明方案引入上转换荧光片和滤光片，通过上转换荧光片表面激发反射的荧光信号强度来对准双光束焦点，使对准精度更高，且对准操作更为简洁迅速；同时，利用上转换荧光片的特性使成像的分辨率提高，进而使双光束对准更加准确。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种应用于双光束光刻的光束对准系统，其特征在于，包括第一激光单元、第二激光单元、探测单元、滤波片、第一二向色镜、第二二向色镜、物镜、上转换荧光片和三维位移台，其中，

于同一直线光路上依次设置探测单元、滤波片、第一二向色镜、第二二向色镜、物镜、上转换荧光片和三维位移台，所述第一二向色镜和所述第二二向色镜以预设角度设置，用于分别接收来自第一激光单元的第一光束和第二激光单元的第二光束。

2.根据权利要求1所述的应用于双光束光刻的光束对准系统，其特征在于，所述第一激光单元包括第一激光发射器、第一透镜、第一小孔和第二透镜，所述第一激光发射器、所述第一透镜、所述第一小孔和所述第二透镜沿同一直线光路依次设置，且所述第二透镜靠近所述第一二向色镜设置。

3.根据权利要求1所述的应用于双光束光刻的光束对准系统，其特征在于，所述第二激光单元包括第二激光发射器、第三透镜、第二小孔和第四透镜，所述第二激光发射器、所述第三透镜、所述第二小孔和所述第四透镜沿同一直线光路依次设置，且所述第四透镜靠近所述第二二向色镜设置。

4.根据权利要求1所述的应用于双光束光刻的光束对准系统，其特征在于，所述探测单元包括光电探测器、第三小孔、分束镜、相机窗口和第五透镜，所述光电探测器、第三小孔、分束镜和第五透镜沿同一直线光路依次设置，且所述第五透镜靠近所述滤波片设置；

所述分束镜以预设角度设置，用于向所述相机窗口传递光斑形貌；

通过调节第三小孔的三维空间位置，使所述探测单元的光路位置进行调整。

5.根据权利要求4所述的应用于双光束光刻的光束对准系统，其特征在于，所述第一光束传至所述上转换荧光片后激发出第一激发荧光，所述第二光束传至所述上转换荧光片后激发出第二激发荧光，且所述第一激发荧光和所述第二激发荧光被所述光电探测器探测。

6.根据权利要求5所述的应用于双光束光刻的光束对准系统，其特征在于，所述滤波片具有滤除所述第一光束和所述第二光束，并仅使所述第一激发荧光和所述第二激发荧光通过的功能。

7.根据权利要求4所述的应用于双光束光刻的光束对准系统，其特征在于，所述三维位移台上设置有通光窗口，所述上转换荧光片设置于所述三维位移台上的通光窗口处，并随所述三维位移台进行位置调整。

8.根据权利要求7所述的应用于双光束光刻的光束对准系统，其特征在于，于所述三维位移台远离所述上转换荧光片一侧的通光窗口处设置有照明光源，所述照明光源用于提供背底光源。

9.根据权利要求1所述的应用于双光束光刻的光束对准系统，其特征在于，所述上转换荧光片具有使低光子能量激光激发出高光子能量荧光的功能。

10.一种应用于双光束光刻的光束对准方法，其特征在于，具体步骤包括：

设置权利要求1～9任一项中所述的应用于双光束光刻的光束对准系统；

发射所述第一光束并调整所述物镜，使所述第一光束依次经所述第一二向色镜、所述第二二向色镜和所述物镜后到达所述上转换荧光片表面，调节所述探测单元的光路位置，至所述探测单元探测到的最强荧光信号处；

发射所述第一光束和所述第二光束，调节所述第二二向色镜的位置，至所述探测单元探测到的最强荧光信号处；

沿光路方向调节所述物镜的位置，至所述探测单元探测到的最强荧光信号处。