CN111580352B - 一种用于数字光刻系统中旋转转台转心的测量和校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数字光刻系统中旋转转台转心的测量和校正方法，属于光学技术领域，具体步骤包括，步骤一：配置基于旋转转台的DMD数字光刻系统；步骤二：基于分区域连续旋转的静态刻写：步骤三：基于光刻基片图像数据计算转心的方法：步骤四：转心的校正。本发明中的DMD光刻系统配置了旋转转台，可通过加载一幅掩模图，旋转转台实现旋转对称图形的刻写，若将转台旋转和加载图形配合，有望实现更复杂图形的加工。为了实现旋转转台的理想应用，本发明对旋转转台的转心进行了测量和校正。

Description

一种用于数字光刻系统中旋转转台转心的测量和校正方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种用于数字光刻系统中旋转转台转心的测量和校正方法。

背景技术

近年来，MEMS和MOEMS等微纳结构和器件的迅猛发展，对相应的微纳加工技术提出了更高的要求。而基于DMD的数字光刻技术由于具有无掩膜、生产效率高、成本低等优点，已成为人们研究的热点。在DMD数字光刻系统中配置旋转转台，实现DMD加图的顺序、频率与平台的旋转速度同步配合，可以制作消除像素效应的旋转对称结构，甚至有望通过图形的复杂组合，实现非旋转对称结构。但是该系统如果要实现理想应用，就要求DMD投影图形的中心始终要保持与旋转转台的转心重合。然而由于机械加工、装调等影响，实际的旋转转台不是理想的，在旋转过程中它的转心是跳变的，并不是固定不变的，因而需要对旋转转台的转心进行校正，以消除因转心跳变而产生的错位误差。

发明内容

为了克服现有技术中存在的由于机械加工、装调等影响，旋转转台在旋转过程中转心存在跳变，从而产生错位误差等问题，本发明提供了一种用于数字光刻系统中旋转转台转心的测量和校正方法，依据测得的数据，可实时校正转台转心，达到减小因转心跳变而引起的错位误差的目的。

本发明通过如下技术方案实现：

一种用于数字光刻系统中旋转转台转心的测量和校正方法，具体步骤如下：

步骤一：配置基于旋转转台的DMD数字光刻系统；

步骤二：基于分区域连续旋转的静态刻写：

确定待测定转台转心的位置，并以此位置为中心对称位置，选取转台上的连续区域；转台每转过一定的角度间隔，采用连续旋转静态刻写的掩模图2曝光一次，得到一个单像素曝光点，当转台转过待测定转台转心位置时，采用建立坐标映射的掩模图3曝光一次，得到标志点对应的单像素曝光点；

步骤三：基于光刻基片图像数据计算转心的方法：

首先，对步骤二得到的光刻基片图像进行去背景处理，得到单像素曝光点的图像；采用取平均值的方法，得到每个单像素曝光点的中心点坐标；利用标志点建立光刻基片坐标系与DMD掩模图形坐标系的坐标映射关系；然后，采用数据拟合的方法，得到连续旋转静态刻写的掩模图曝光得到的多个单像素曝光点对应的拟合圆的圆心，即为转台转心，利用建立的坐标映射关系，确定转台转心在DMD坐标系对应的位置坐标；最后，利用多个直接测算的转台转心位置，通过插值的方法求转台任一位置的转心；

步骤四：转心的校正：

在掩模切换时，转台转心发生跳变，此时的错位误差通过调整掩模图形的心到此时的转台转心来修正；

在转台旋转，且无法切换掩模的过程中，转台转心出现跳变，此时的错位误差，通过调整待测的掩模图的圆心角变小来修正。

进一步地，步骤二所述的基于分区域连续旋转的静态刻写，具体步骤如下：

(1)、待测定转台转心的位置通过15*(2n-1),(n＝1,2,3,...,12)确定，从转台的0度开始，每30度划分为一个区域，将转台平均分为12个连续区域；

(2、)设计用于连续旋转静态刻写的掩模图2以及用于建立坐标映射的掩模图3；

(3)、当转台旋转到0°时，加载掩模图2所示掩模并曝光，则在基片上得到一个单像素曝光点；

当转台旋转到10°位置时，再次掩模图2的掩模并进行曝光，此时在基片上刻写了第二个单像素曝光点；

(4)、由于15°为待测定转心的位置，所以当转台旋转到此处时，需要加载掩模图3所示的掩模图并曝光，则在基片上同时刻写了六个单像素曝光点；

(5)、当转台分别旋转到20°和30°时，再次加载图2的掩模并进行曝光，至此，完成了转台一个位置转心的实验过程；同理，可以得到其它位置转心的刻写图像。

进一步地，步骤三所述的掩模图2为含有一个1像素*1像素的白色透光点的图形，该点位置距离掩模图形的中心位置几十个像素。

进一步地，步骤三所述的标识点，是为了建立光刻基片图像所在坐标系与掩模图形所在坐标系的坐标映射关系，具体的选取原则如下：

1、所述标志点的分布覆盖掩模图2拟合圆所在区域，且不与拟合圆有交点，保证刻写后能与拟合圆区分开；

2、所述标志点中的多个点的坐标呈现线性关系，便于建立映射；

3、所述标志点中的一个点选择为掩模图的中心点，其他点到中心点的距离要大于掩模图2中的点到中心点的距离。例如：掩模图2中的距离为30像素，则掩模图3中的其他标志点到中心点的距离就需在50像素以上。

进一步地，步骤三所述的基于光刻基片图像数据计算转心的方法，具体步骤如下：

1)对显微镜下得到的光刻基片图像进行方向校正，得到与掩模图形图3方向一致的图像，并去掉基片图像背景的干扰，得到只有单像素曝光点的图像；

2)采用取平均值的方法，求出每个单像素曝光点的中心点坐标；

3)标志点在DMD掩模图形中的坐标设为(x_i,y_i)，在光刻基片上的坐标设为(x′_i,y′_i)，采用最小二乘拟合法分别建立x′_i与x_i、y′_i与y_i的映射关系：

采用最小二乘法求出系数m₀、n₀、m₁、n₁和m₂、n₂，即确定了x′_i与x_i和y′_i与y_i满足的多项式方程，将基片上点的坐标带入方程，即可求出其在DMD掩模中的位置；

4)采用数据拟合的方法，得到该区域连续旋转静态刻写的Q个单像素曝光点对应的拟合圆，计算出圆心坐标，即为这个位置的转台转心(x′_p,y′_p)；

设Q个点满足的圆方程的通式为：

x²+y²+ux+vy+w＝0 (2)

则圆心(M,N)和半径R分别为：

根据平面圆满足的通式方程和最小二乘法原理，求目标函数(圆方程)的最小值：

则将S(u,v,w)对u,v,w求偏导，并令偏导等于0，得到极值点，

求解上述方程可得到u,v,w，再结合式(3)得到圆的圆心和半径；

5)利用第三步建立的坐标映射关系，求出转台这个位置的转心在DMD掩模图形坐标系中的坐标(x_p,y_p)；

6)利用已经算出的多个位置的转台转心，通过插值的方法求转台任一位置的转心。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

现有的DMD光刻系统，多为配置的可移动平台，通过改变加载图形来生成旋转对称图形，本发明中的DMD光刻系统配置了旋转转台，可通过加载一幅掩模图，旋转转台实现旋转对称图形的刻写，若将转台旋转和加载图形配合，有望实现更复杂图形的加工。为了实现旋转转台的理想应用，本发明对旋转转台的转心进行了测量和校正。本发明的工作属于创新性工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为测量转台转心的光刻系统装置示意图；

图2为用于连续旋转静态光刻的掩模示意图；

图3为有标志点的掩模示意图；

图4为实验刻写的图形图像；

图5为基于刻写图形的图像求取转台转心的数据处理示意图；

图6为连续旋转同步刻写示意图。

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

如图1所示，为所搭建的DMD光刻系统的示意图，该系统包括照明、数字微反射镜器件DMD、投影成像系统、精密机械转台(包括同步控制系统等)、控制终端等五部分。数字微镜设备DMD(德克萨斯仪器公司研制)，由1024×768个微反射镜阵列组成，一个微反射镜对应一个像素，单个微反射镜尺寸为13.68μm。计算机将所需光刻图案通过图形生成器输入到DMD上，每个微反射镜的转角根据图形中黑白像素的分布来改变，即由数字掩模图形控制。中心波长为405nm的UV光源发出的光线通过匀化和准直后，照射在数字微镜设备DMD上，形成与所需图形一致的光图像，然后通过10倍显微物镜投影到旋涂有1μm厚度的光刻胶(S1805)的玻璃基片上进行曝光，玻璃基片放置在转台上，同步控制系统可以控制转台按一定的速度和方向转动，也可实现转台旋转与掩模图形的切换相匹配。曝光后的基片经显影后吹干，通过显微镜就可以观察到表面的微浮雕结构。

半导体激光器(405nm)1的光束辐照到DMD2上，计算机3生成的掩模图决定了DMD的方位，掩模图中的“1”对应DMD为“ON”，掩模图中的“0”对应DMD为“OFF”，调制后的光线，经过镜筒透镜4，再经过分束仪5分为两路：一路经过镜筒透镜6后被CCD相机7接收；另一路经反射镜8反射后，再经过投影透镜9，投射到涂覆光刻胶的基板10上，在控制系统11发出的指令下，旋转转台12可带动基板10按一定的方向、以一定的速度匀速旋转。

如图2所示，为连续旋转静态刻写的掩模图，图中只有一个1像素*1像素的点设置为白色，这个点到DMD图形中心点的距离为一定的像素值，对应的DMD为“ON”，其他的点均为黑色，对应的DMD为“OFF”。

掩模图2为含有一个1像素*1像素的白色透光点的图形，这个点的位置距离掩模图形的中心几十个像素即可，例如30像素，曝光一次掩模图2，就在转台的相应位置上得到一个单像素曝光点，如果转台转心是理想的，保持不变，转台以一定速度旋转，多次曝光掩模图2，则可得到多个单像素曝光点，这些单像素曝光点，就处于同一圆周上，所在圆的圆心即为转台转心。实际情况，转台转心存在跳变，在一定的连续范围内，可以认为转心是不变的，因此，可以通过在转台上一定的连续区域，多次曝光掩模图2的方法，得到多个单像素曝光点，多个单像素曝光点拟合圆的圆心，即为此区域的转台转心。

但此时得到的转心是在光刻图像所在坐标系中的坐标，想要确定其在掩模图形中对应的位置坐标，还需建立光刻基片坐标系与掩模图形坐标系的映射关系。因此需要构建标识点用于建立坐标映射。转台旋转处于不同的位置，其光刻图像所在的坐标系都不同，所以，想要求转台哪个位置的转心，就需要在这个位置曝光建立坐标映射的标志点掩模图3。

如图3所示，为用于建立DMD掩模图坐标系与光刻基片坐标系的标志点掩模示意图，图中的几个1像素*1像素的点设置为白色，对应DMD为“ON”，其他的点均为黑色，对应的DMD为“OFF”。

如图4所示，为测量计算转台某一位置转心进行刻写实验得到的基片图像实物图，图中标注“p1”、“p2”、“p3”、“p4”的点为用于进行拟合圆心的单像素曝光点，图中标注“p5”、“p6”、“p7”、“p8”、“p9”、“p10”的点为用于建立坐标映射的标志点的单像素曝光点。

如图5所示，为基于刻写图像的数据处理方法示意图。

如图6所示，为与本发明相关的连续旋转同步刻写工作模式，以波带片为例，整个曝光过程是从(a1)到(k2)，图中的A～L表示被曝光次数分别为1～12。DMD上输入的图像是按一定规律变化的，转台的转动方向与图像的变化相匹配，转台每转过一个扇区，DMD加载的掩模图形切换一次，最终，在旋转转台与切换掩模图形的配合下，得到曝光量均匀的旋转对称波带片。

一种用于数字光刻系统中旋转转台转心的测量和校正方法，具体步骤如下：

步骤一：配置基于旋转转台的DMD数字光刻系统；

步骤二：基于分区域连续旋转的静态刻写：

欲测定转台在15*(2n-1),(n＝1,2,3,...,12)度位置的转心，从转台的0度开始，每30度划分为一个区域，将转台平均分为12个连续区域。以测定转台在15°位置的转心为例，说明该实验过程。

1)当转台旋转到0°时，加载图2所示掩模并曝光，则在基片上得到一个单像素曝光点；

2)当转台旋转到10°位置时，再次加载图2的掩模并进行曝光，此时在基片上刻写了第二个单像素曝光点；

3)由于15°是拟测定转心的位置，所以当转台旋转到此处时，需要加载图3所示的掩模图并曝光，则在基片上刻写了六个单像素曝光点；

4)当转台分别旋转到20°和30°时，再次加载图2的掩模并进行曝光，至此，完成了转台一个位置转心的实验过程。同理，可以得到其它位置转心的刻写图像。

步骤三所述的基于光刻基片图像数据计算转心的方法，具体步骤如下：

1)对显微镜图像进行方向校正，得到与掩模图形图3方向一致的图像，并去掉基片图像背景的干扰，得到只有单像素曝光点的图像；

2)采用取平均值的方法，求出每个单像素曝光点的中心点坐标；

3)标志点在DMD掩模图形中的坐标设为(x_i,y_i)，在光刻基片上的坐标设为(x′_i,y′_i)，采用最小二乘拟合法分别建立x′_i与x_i、y′_i与y_i的映射关系：

采用最小二乘法求出系数m₀、n₀、m₁、n₁和m₂、n₂，即确定了x′_i与x_i和y′_i与y_i满足的多项式方程，将基片上点的坐标带入方程，即可求出其在DMD掩模中的位置；

4)采用数据拟合的方法，得到该区域连续旋转静态刻写的多个(Q个)单像素曝光点对应的拟合圆，计算出圆心坐标，即为这个位置的转台转心(x′_p,y′_p)；

设Q个点满足的圆方程的通式为：

x²+y²+ux+vy+w＝0 (2)

则圆心(M,N)和半径R分别为：

根据平面圆满足的通式方程和最小二乘法原理，求目标函数(圆方程)的最小值：

则将S(u,v,w)对u,v,w求偏导，并令偏导等于0，得到极值点，

求解上述方程可得到u,v,w，再结合式(3)得到圆的圆心和半径；

5)利用第三步建立的坐标映射关系，求出转台这个位置的转心在DMD掩模图形坐标系中的坐标(x_p,y_p)；

6)利用已经算出的多个位置的转台转心，通过插值的方法求转台任一位置的转心。

步骤四：转心的校正：

在掩模切换时，转台转心发生跳变，此时的错位误差通过调整掩模图形的心到此时的转台转心来修正；

对于连续旋转静态拼接的加工模式，随着转台的旋转，转台转心不是固定不变的，而是存在跳变，因此，对于旋转对称元件的加工，只用一幅掩模就会存在错位误差，因此需要根据转台转心的变化，将掩模图形的心调整为加载该掩模时转台所在位置的转心，即可消除错位误差的影响。

在转台旋转，且无法切换掩模的过程中，转台转心出现跳变，此时的错位误差，通过设计圆心角尽量小的掩模图形，达到减小错位误差的效果。

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 (3)

1.一种用于数字光刻系统中旋转转台转心的测量和校正方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：配置基于旋转转台的DMD数字光刻系统；

步骤二：基于分区域连续旋转的静态刻写：

确定待测定转台转心的位置，并以此位置为中心对称位置，选取转台上的连续区域；转台每转过一定的角度间隔，采用连续旋转静态刻写的掩模图Ⅱ曝光一次，得到一个单像素曝光点，当转台转过待测定转台转心位置时，采用建立坐标映射的标志点掩模图曝光一次，得到标志点对应的单像素曝光点；

步骤三：基于光刻基片图像数据计算转心的方法：

首先，对步骤二得到的光刻基片图像进行去背景处理，得到单像素曝光点的图像；采用取平均值的方法，得到每个单像素曝光点的中心点坐标；利用标志点建立光刻基片坐标系与DMD掩模图形坐标系的坐标映射关系；然后，采用数据拟合的方法，得到连续旋转静态刻写的掩模图曝光得到的多个单像素曝光点对应的拟合圆的圆心，即为转台转心，利用建立的坐标映射关系，确定转台转心在DMD坐标系对应的位置坐标；最后，利用多个直接测算的转台转心位置，通过插值的方法求转台任一位置的转心；

步骤四：转心的校正：

在掩模切换时，转台转心发生跳变，此时的错位误差通过调整掩模图形的心到此时的转台转心来修正；

在转台旋转，且无法切换掩模的过程中，转台转心出现跳变，此时的错位误差，通过调整待测的掩模图的圆心角变小来修正；

其中，步骤二 所述的掩模图Ⅱ为含有一个1像素*1像素的白色透光点的图形，该点位置距离掩模图形的中心位置几十个像素；

步骤三所述的标志点，是为了建立光刻基片图像所在坐标系与掩模图形所在坐标系的坐标映射关系，具体的选取原则如下：

(1)、所述标志点的分布覆盖掩模图Ⅱ拟合圆所在区域，且不与拟合圆有交点，保证刻写后能与拟合圆区分开；

(2)、所述标志点中的多个点的坐标呈现线性关系，便于建立映射；

(3)、所述标志点中的一个点选择为掩模图的中心点，其他点到中心点的距离要大于掩模图Ⅱ中的点到中心点的距离。

2.如权利要求1所述的一种用于数字光刻系统中旋转转台转心的测量和校正方法，其特征在于，步骤二所述的基于分区域连续旋转的静态刻写，具体步骤如下：

(1)、待测定转台转心的位置通过15*(2n-1),其中，n＝1,2,3,…，12,确定，从转台的0度开始，每30度划分为一个区域，将转台平均分为12个连续区域；

(2、)设计用于连续旋转静态刻写的掩模图Ⅱ以及用于建立坐标映射的标志点掩模图；

(3)、当转台旋转到0°时，加载掩模图Ⅱ所示掩模并曝光，则在基片上得到一个单像素曝光点；

当转台旋转到10°位置时，再次加载 掩模图Ⅱ的掩模并进行曝光，此时在基片上刻写了第二个单像素曝光点；

(4)、由于15°为待测定转心的位置，所以当转台旋转到此处时，需要加载标志点掩模图所示的掩模图并曝光，则在基片上同时刻写了六个单像素曝光点；

(5)、当转台分别旋转到20°和30°时，再次加载掩模图Ⅱ的掩模并进行曝光，至此，完成了转台一个位置转心的实验过程；同理，可以得到其它位置转心的刻写图像。

3.如权利要求1所述的一种用于数字光刻系统中旋转转台转心的测量和校正方法，其特征在于，步骤三所述的基于光刻基片图像数据计算转心的方法，具体步骤如下：

1)对显微镜下得到的光刻基片图像进行方向校正，得到与标志点掩模图方向一致的图像，并去掉基片图像背景的干扰，得到只有单像素曝光点的图像；

2)采用取平均值的方法，求出每个单像素曝光点的中心点坐标；

3)标志点在DMD掩模图形中的坐标设为(x_i,y_i)，在光刻基片上的坐标设为(x′_i,y′_i)，采用最小二乘拟合法分别建立x′_i与x_i、y′_i与y_i的映射关系：

采用最小二乘法求出系数m₀、n₀、m₁、n₁和m₂、n₂，即确定了x′_i与x_i和y′_i与y_i满足的多项式方程，将基片上点的坐标带入方程，即可求出其在DMD掩模中的位置；

4)采用数据拟合的方法，得到区域连续旋转静态刻写的Q个单像素曝光点对应的拟合圆，计算出圆心坐标，即为这个位置的转台转心(x′_p,y′_p)；

设Q个点满足的圆方程的通式为：

x²+y²+ux+vy+w＝0 (2)

则圆心(M,N)和半径R分别为：

根据平面圆满足的通式方程和最小二乘法原理，求目标函数的最小值：

则将S(u,v,w)对u,v,w求偏导，并令偏导等于0，得到极值点，

求解上述方程可得到u,v,w，再结合式(3)得到圆的圆心和半径；

5)利用第三步建立的坐标映射关系，求出转台这个位置的转心在DMD掩模图形坐标系中的坐标(x_p,y_p)；

6)利用已经算出的多个位置的转台转心，通过插值的方法求转台任一位置的转心。

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