CN111580346B - Dmd光刻系统中倾角及放大倍率的测量和校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DMD光刻系统中倾角及放大倍率的测量和校正方法，属于光学技术领域，本发明根据测得的数据进行相应的计算，可补偿平台倾角和校正投影放大倍率，无需对掩模图进行复杂的处理，只需要运用简单的数学关系去计算平台移动距离，即可实现倾角的补偿，改善图案错位、模糊等现象，可使配置二维移动平台的DMD无掩模光刻系统实现理想应用，达到制备大规模结构的目的。本发明的校正方法，不仅成本低，而且无需大面积的测试板面、大距离的移动以及高精度的测试仪器，只需要实验室显微镜进行测量即可。此外，本发明减少了加工前期图像处理的麻烦，适用于大多数的光刻系统，应用性比较广。

Description

DMD光刻系统中倾角及放大倍率的测量和校正方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，提出了一种用于DMD光刻系统中倾角及放大倍率的测量和校正方法

背景技术

近年来，基于DMD的无掩模数字光刻技术在微纳加工领域受到了广泛的关注。与传统的掩模光刻和激光直写技术相比，它不仅提高了生产效率、节约了成本，而且可以实现亚微米级别的高分辨率。通过在DMD无掩模光刻系统中配置二维精密移动平台，可以实现DMD加载图形逐帧滚动翻转与平台移动同步配合的滚动扫描曝光和DMD加载图形逐场切换与平台移动同步配合的步进式投影曝光，除了可以进行静态大面积曝光(如：步进式投影曝光)之外，还可以通过选择高帧频，大面积有效区域DMD，提供高速数据滚动，实现连续扫描曝光，甚至可以实现不同图形的复杂组合。

但是该系统如果要实现理想应用，就要求DMD投影图形与平台的移动方向平行，且投影透镜的放大倍率与平台的移动速度或距离相匹配。但是，由于机械加工、装调等影响，实际的倾角和放大倍率误差超过了误差允许范围，就会影响到最后的加工精度。因而需要对倾角和放大倍率误差进行校正，以改善图案错位、模糊等现象，实现高精度的加工效果。

发明内容

针对现有技术中存在的由于机械加工、装调等影响，DMD数字无掩模光刻系统的实际倾角和放大倍率误差超过了误差允许范围，会影响后序加工等问题，本发明提供了一种用于DMD光刻系统中倾角及放大倍率的测量和校正方法，根据测得的数据进行相应的计算，可补偿平台倾角和校正投影放大倍率，无需对掩模图进行复杂的处理，只需要运用简单的数学关系去计算平台移动距离，即可实现倾角的补偿，改善图案错位、模糊等现象，可使配置二维移动平台的DMD无掩模光刻系统实现理想应用，达到制备大规模结构的目的。

本发明的技术方案是采用以下步骤实现：

DMD光刻系统中倾角及放大倍率的测量和校正方法，具体步骤如下：

步骤一：二维移动平台的倾角测量：

首先，开启DMD四边的微镜，投影成四边形图案进行第一次静态曝光，然后二维移动平台沿着y轴移动距离L，开启DMD四角的微镜，投影成四点图案进行第二次静态曝光；接着，选择第一次曝光图案右上角的像素和第二次曝光图案左上角的像素，测出两像素的距离a′；最后，利用公式(1)计算DMD投影图案与二维移动平台之间的倾角正切值tanθ，进而计算倾角的正、余弦值，以便进行角度补偿；

tanθ≈a'/L (1)

所述L＝b＝βnH，其中，b为DMD投影的横向理论尺寸，β为投影理论放大倍率(由于倾角和放大倍率误差相对来说非常小，根据公式(1)可知对于b值的影响不至于影响到倾角的计算)，n为DMD横向微镜数量，H为DMD单个微镜实际尺寸；

步骤二：二维移动平台的角度补偿：

利用倾角的正、余弦值和DMD投影横、纵向理论尺寸b、a计算出二维精密移动平台运动的距离，通过图形之间的几何拼接关系，结合相对运动原理(因为实际曝光过程DMD静止)操作二维精密移动平台x、y两个方向的配合移动，最终使整体曝光图案沿着DMD投影的横、纵方向进行拼接；

步骤三：投影系统的投影实际放大倍率计算：

利用DMD无掩模光刻系统，对掩模板进行第一次静态曝光之后，操作二维精密移动平台在x、y方向上分别移动Lsinθ和Lcosθ的距离进行横向(y方向)的拼接曝光，两次曝光图案的中心位置实际位移沿着DMD投影图形方向，大小为L＝b＝βnH，测出两次曝光图案重叠或缝隙部分的尺寸d；然后通过式(3)计算投影系统的投影实际放大倍率，

b-β'nH＝d (2)

β'＝(b-d)/nH (3)

其中，β′为投影实际放大倍率，b为DMD投影的横向理论尺寸，n为DMD横向微镜数量，H为DMD单个微镜实际尺寸，得到放大倍率的实际值β′之后即可对DMD移动距离进行重新的计算和调整，结合步骤二的倾角补偿方案，使图形实现更加完整的拼接。

所述步骤二具体操作如下：若使图案沿着y轴(横向)负向拼接，则在完成第一次曝光之后，需操作二维移动平台向x轴正向移动bsinθ的同时，还需向y轴正向移动bcosθ进行第二次曝光；若使图案沿着y轴正向拼接，则二维移动平台向反向移动；若使图案沿着x轴(纵向)拼接时，移动距离则变为acosθ和asinθ；运用相同的数学关系操作平台移动即可；其中，a为DMD投影的纵向理论尺寸，a＝βmH，m为DMD纵向微镜数量。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明的DMD光刻系统中倾角及放大倍率的测量和校正方法，不仅成本低，而且无需大面积的测试板面、大距离的移动以及高精度的测试仪器，只需要实验室显微镜进行测量即可。此外，本发明减少了加工前期图像处理的麻烦，适用于大多数的光刻系统，应用性比较广。虽然这种测量方法存在平台的移动精度问题，但是由于测量过程中平台移动的距离相对其来说很大，接近一幅投影图案的大小(本实施例中约5.76mm)，故平台移动误差在测量过程中可以忽略。

附图说明

图1为本发明相关的实验装置示意图；

图2为用于测量倾角和放大倍率的静态曝光四边形图案掩模示意图；

图3为用于测量倾角的静态曝光四点图案掩模示意图；

图4为倾角测量方案示意图；

图5为倾角补偿方案示意图；

图6为放大倍率测量方案示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

配置有二维精密移动平台的DMD数字无掩模光刻系统：

本发明的装置如图1所示，为所搭建的DMD光刻系统的示意图，DMD光刻系统由以下几个部分组成：前端照明系统、数字微镜器件(DMD-空间光调制器)、投影透镜系统、精密移动平台和机械与电路的控制系统。数字微镜器件(DMD)的分辨率为1920pixel×1080pixel，一个微反射镜对应一个曝光像素点，单个微反射镜尺寸为10.8μm。计算机将数字光刻图案通过图形生成器加载到DMD上，其每个微反射镜的转角由图形中黑白像素的分布来决定。中心波长为405nm的LED光源发出的光线通过匀化和准直后，照射在DMD上，形成与光刻图形一致的光图像，然后通过投影系统以一定的倍率(投影系统的放大倍率)投影到旋涂有1μm厚度的光刻胶(S1805)的玻璃基片上进行曝光，玻璃基片放置在二维精密移动平台上，可以实现高位移精度和速度，提供更大的曝光区域。除了可以进行步进式投影曝光之外，还可以通过DMD提供高速数据滚动，实现连续扫描曝光。曝光后的基片经显影后烘干，通过显微镜就可观察到表面的微浮雕结构。

DMD光刻系统的光路过程如下：首先，405nmLED光源发出的激光束1经过准直匀化系统2后发出近似平行光，经过反射镜3后均匀地照射在具有数字光刻图案的DMD面板4上，被DMD4反射的光携带着动态光刻图案，投射到投影透镜系统5中。最后，光刻图案将以一定的倍率β(投影系统的放大倍率)投影到精密移动平台7上涂有光致抗蚀剂的基板6上。在此过程中，基板上的曝光情况可以通过CCD(charge-coupled device)相机8进行实时监控。

实施例2

如图2、3所示，为倾角测量实验中进行静态曝光的四边形图案掩模板和四点图案掩模板，图2同时也为放大倍率测量实验中进行静态曝光的掩模板。黑色区域对应的DMD微镜状态为“ON”，白色区域对应的DMD微镜状态为“OFF”。

如图4所示，为倾角测量示意图，其中x、y为二维平台移动的方向，θ为DMD投影图案与移动平台之间的倾角，a′为图2的曝光图案中像素1与图3的曝光图案中像素1′之间的距离，b为DMD投影的横向理论尺寸(等于βnH，β为投影透镜放大倍率的理论值，n为DMD横向微镜数量，H为DMD单个微镜实际尺寸)，a为DMD投影的纵向理论尺寸(等于βmH，m为DMD纵向微镜数量)，O和O′分别为图2和图3的曝光位置。

如图5所示，其中x、y为二维平台移动的方向，θ为DMD投影图案与移动平台之间的倾角，b为DMD投影的横向理论尺寸，a为DMD投影的纵向理论尺寸，asinθ和acosθ、bsinθ和bcosθ为拼接实验中的平台移动步距，O1、O2、O3和O4分别为图4四次拼接曝光的位置。

如图6所示，为放大倍率测量示意图，其中x、y为二维平台移动的方向，O1和O2为图2的两次曝光位置，d为两次曝光图案的重叠或缝隙尺寸。

DMD光刻系统中倾角及放大倍率的测量和校正方法，具体步骤如下：

测量倾角(如图4所示)

步骤一：DMD加载四边形图案掩模图2，即只开启边框处的微镜(黑色区域)，其他微镜均处于关闭状态(白色区域)，在位置O进行第一次曝光；

步骤二：平台沿着y轴移动距离L，DMD刷新图案，加载四点图案掩模图3，即只开启位于图案四角位置的微镜，其他微镜均处于关闭状态，在位置O′进行第二次曝光；

步骤三：曝光之后利用显微镜测出图中a′的大小，因为倾角θ非常小，所以满足：

tanθ≈a'/L

实验中，移动平台移动距离L＝b＝βnH，所以tanθ可以计算出具体数值，进而可以演算出正、余弦值。

补偿倾角(如图5所示)

步骤一：理论上平台需要在x、y方向运动，以acosθ和asinθ为步距形成纵向(x方向)拼接，以bsinθ和bcosθ为步距形成横向(y方向)拼接，计算出4组步距大小；

在静态步进式投影曝光的模式下，随意加载任何图案(这里以横条纹图案为例)，使图案沿着y轴负向拼接。若初始曝光位置为O，按O、O1、O2、O3的位置顺序依次曝光，第一次曝光完成后操作平台向x轴正向移动bsinθ的同时，还需向y轴正向移动bcosθ，在位置O1进行第二次曝光；向x轴正向移动acosθ的同时，还需向y轴负向移动asinθ，在位置O2进行第三次曝光；向y轴负向移动bcosθ的同时，还需向x轴负向移动bsinθ，在位置O3进行第四次曝光。若初始曝光位置为O2，按O2、O3、O、O1的位置顺序依次曝光，则与初始曝光位置为O，按O、O1、O2、O3的位置顺序依次曝光相比，x、y轴运动步距不变，相应运动方向相反即可。

测量和校正放大倍率(如图6所示)

步骤一：测试时，首先曝光一帧四边形掩模图2；

步骤二：将平台在x、y方向上分别移动bsinθ和bcosθ的距离，进行横向(y方向)的拼接曝光，两次曝光图的中心位置实际位移为b，其方向是沿着DMD投影图形的方向。

步骤三：计算投影透镜的实际放大倍率β′，上述物理量满足b-β'nH＝d，所以β'＝(b-d)/nH。

步骤四：将投影透镜的实际放大倍率应用到图5中的曝光实验中，即可实现角度的补偿和放大倍率的校正，改善图案错位、模糊等现象。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (2)

1.DMD光刻系统中倾角及放大倍率的测量和校正方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：二维移动平台的倾角测量：

首先，开启DMD四边的微镜，投影成四边形图案进行第一次静态曝光，然后二维移动平台沿着y轴移动距离L，开启DMD四角的微镜，投影成四点图案进行第二次静态曝光；接着，选择第一次曝光图案右上角的像素和第二次曝光图案左上角的像素，测出两像素的距离a′；最后，利用公式(1)计算DMD投影图案与二维移动平台之间的倾角正切值tanθ，进而计算倾角的正、余弦值，以便进行角度补偿；

tanθ≈a'/L (1)

所述L＝b＝βnH，其中，b为DMD投影的横向理论尺寸，β为投影理论放大倍率，n为DMD横向微镜数量，H为DMD单个微镜实际尺寸；

步骤二：二维移动平台的倾角补偿：

利用倾角的正、余弦值和DMD投影横、纵向理论尺寸b、a计算出二维精密移动平台运动的距离，通过图形之间的几何拼接关系，结合相对运动原理操作二维精密移动平台x、y两个方向的配合移动，最终使整体曝光图案沿着DMD投影的横、纵方向进行拼接；

步骤三：投影系统的投影实际放大倍率计算：

利用DMD无掩模光刻系统，对掩模板进行第一次静态曝光之后，操作二维精密移动平台在x、y方向上分别移动Lsinθ和Lcosθ的距离进行横向的拼接曝光，两次曝光图案的中心位置实际位移沿着DMD投影图形方向，大小为L＝b＝βnH，测出两次曝光图案重叠或缝隙部分的尺寸d；然后通过式(3)计算投影系统的投影实际放大倍率，

b-β'nH＝d (2)

β'＝(b-d)/nH (3)

其中，β′为投影实际放大倍率，b为DMD投影的横向理论尺寸，n为DMD横向微镜数量，H为DMD单个微镜实际尺寸，得到放大倍率的实际值β′之后即可对DMD移动距离进行重新的计算和调整，结合步骤二的倾角补偿方案，使图形实现更加完整的拼接。

2.如权利要求1所述的DMD光刻系统中倾角及放大倍率的测量和校正方法，其特征在于，所述步骤二具体操作如下：若使图案沿着y轴负向拼接，则在完成第一次曝光之后，需操作二维移动平台向x轴正向移动bsinθ的同时，还需向y轴正向移动bcosθ进行第二次曝光；若使图案沿着y轴正向拼接，则二维移动平台向反向移动；若使图案沿着x轴拼接时，移动距离则变为acosθ和asinθ；运用相同的数学关系操作平台移动即可；其中，a为DMD投影的纵向理论尺寸，a＝βmH，m为DMD纵向微镜数量。

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