CN113391527A - 一种基于ccd成像检焦对准的微结构加工方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CCD成像检焦对准的微结构加工方法和装置，通过设计光路使CCD与DMD共轭，当硅片处于焦面位置时，DMD上图案通过远心成像系统在硅片上成像清晰，同时由于CCD与DMD共轭，故硅片上的图案在CCD上也成像清晰，从而可以利用该共轭关系，以CCD上成像清晰度作为DMD曝光焦面的位置检测。本发明提出的基于CCD成像检焦对准的微结构加工方法和装置在保证DMD微结构加工检焦和对准的同时，可实现光刻过程中的实时成像，能够满足任意时刻在硅片的任意位置实现任意图案的曝光光刻，便于各种二维材料的加工，且整机系统结构紧凑。
Description
技术领域
本发明属于微纳加工领域，主要利用DMD可编程性和CCD成像，提供了一种基于CCD成像检焦对准的微结构加工方法和装置，实现任意时刻在硅片的任意位置实现任意图案的曝光光刻，同时结构紧凑小巧，方便携带，特别适用于微米级二维材料的制备。
背景技术
微纳结构在微观尺度显现出完全不同于宏观世界的独特性能，在新材料新能源、生物医药、航空航天、半导体制造等高新技术领域有着广泛的应用，已经成为当前研究和生产的热点。微纳加工技术作为微纳领域的重要组成部分，直接涉及微米、纳米级等微纳结构的制备，已经成为了微纳领域中的一个重点研究内容，发展出了各式各样的微纳加工方法或系统。而常用的微纳加工设备，往往体积庞大、不便携带，且制造成本高，这极大地限制了其应用场景和应用范围。故探索结构紧凑、性能稳定和成本低的微纳加工方法已成为当前微纳领域的重要发展趋势。
目前微纳结构加工方法主要包括直写式光刻、物理掩模光刻和数字掩膜光刻等。其中直写式光刻虽然可以加工纳米量级的微结构，但其加工方式是逐点扫描，导致其工作效率低，不适用于大批量或大尺寸的3D微结构制备。物理掩模光刻技术利用光学投影成像系统，将物理掩模板上的图案转移到曝光物面上，尽管其光刻加工技术已发展成熟，但每种掩模板只能加工一种微结构，其灵活性受限，难以应对制造数量少但种类繁多的微纳加工新趋势，同时其物理掩模都是通过分辨率较高的直写光刻系统加工的，其制造成本相对较高。
而数字掩模光刻，使用数字微镜器件(DMD)作为数字电子掩模，代替了传统的物理掩模，可以实现计算机可控的任意图案光刻，极大了降低掩模加工的制造成本，我们只需要针对不同的结构设计出相应的图案，即可通过计算机控制数字微镜器件进行光刻曝光。而目前的基于DMD无掩膜光刻加工的系统，大多数都需要单独设计一套检焦系统和一套对准系统，导致结构较为复杂，体积较为庞大，不便携带，同时检焦和对准系统的存在也增加了制造成本，限制了其应用场景及应用范围，同时曝光硅片上的图案无法实时观测和定位，不利于快速多次曝光光刻，增加了曝光加工的工艺流程，制备效率较低。
发明内容
为了解决上述无掩膜光刻技术的不足，本发明提出了一种基于CCD成像检焦对准的微结构加工方法和装置，在原有的DMD无掩膜加工技术基础上，用CCD成像光路系统代替了检焦和对准光路系统，将图像检焦技术应用在微纳加工领域，对CCD采集的图像信息进行处理，分析曝光物面的位置信息，在进行曝光物面实时成像的同时，实现DMD无掩膜加工的焦面检测及对准，极大地简化了系统结构，降低了系统制造和微结构加工成本，能够在任意时刻任意地方在曝光样片都任意区域进行任意图案地曝光，满足了绝大多数领域的应用需求。
为实现上述目的，本发明基于图像检焦技术，提出了一种CCD成像检焦对准的微结构加工方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：利用匀光系统，将LED发出的365nm紫光进行匀化处理，均匀的投射到DMD靶面上，使其照明均匀；所述匀光系统的组成部件包括非球面镜、蝇眼透镜阵列和汇聚透镜；
其中，设计和调整非球面镜、蝇眼透镜阵列和汇聚透镜三者之间的距离及蝇眼透镜阵列的形状，以便最大可能的利用蝇眼透镜阵列区域，将LED发出的365nm波长的紫光进行匀化处理，并适用能量探测器测量其匀光的效果，以便DMD靶面被均匀照明；
步骤二：通过曝光系统，将DMD上的数字图案成像到曝光物面上，沿光轴方向移动曝光物面，进行阶梯曝光，并利用高精度电感仪记录曝光物面每次曝光的位置，从中找出最佳曝光位置，即为曝光焦面，然后微调CCD的位置，保证此时CCD上物面成像清晰，使得DMD曝光焦面和CCD成像焦面重合，即DMD和CCD互为共轭；所述曝光系统为用于将DMD成像到曝光物面上的曝光系统；
步骤三：将十字形图案加载到DMD靶面上，通过曝光系统光路投影到曝光物面上，再经成像系统光路成像到CCD上，在垂直于光轴的平面移动CCD，使得十字形图案落到CCD靶面正中心，从而实现DMD和CCD靶面的粗对准；所述成像系统为用于将曝光物面上图案成像到CCD上的成像系统；
步骤四：将DMD和CCD靶面的像素点一一对应，实现DMD和CCD靶面的精对准，同时控制DMD的曝光；
步骤五：设计机械结构件，将上述匀光系统、曝光系统及成像系统固定支撑到台式平台上，完成便携式的台式微细加工设备的搭建；
步骤六：在所述台式平台上进行曝光实验，移动位移台，当CCD上成像清晰时，控制DMD进行曝光，同时在垂直于光轴的平面移动曝光物面，进行曝光，并在高倍显微镜下查看结果，验证检焦精度和对准效果，完成任意微结构的任意图案的便携式曝光，所述位移台为用于实现曝光物面位移运动及旋转的手动位移台。
其中，所述蝇眼透镜阵列和蝇眼透镜阵列中的单个蝇眼透镜的形状、以及所述匀光系统各组成部件之间的距离根据Zemax仿真优化和实验进行确定；所述蝇眼透镜阵列的焦面与汇聚透镜的前焦面重合，汇聚透镜的后焦面与DMD靶面重合。
其中，步骤二中，可利用图像清晰度评价函数进行CCD上图像清晰度的评定，具体通过对图像的边缘梯度计算获得的梯度值大小来评价图像清晰程度。
其中，所述匀光系统还包括两个反射镜。
本发明还提出了一种基于CCD成像检焦对准的微结构加工装置，该加工装置包括:
用于提供均匀照明的匀光系统，所述匀光系统的组成部件包括非球面镜、蝇眼透镜阵列和汇聚透镜，所述匀光系统将LED发出的365nm紫光进行匀化处理，均匀的投射到DMD靶面上，使其照明均匀；
用于将DMD成像到曝光物面上的曝光系统，所述曝光系统包括DMD数字微镜阵列、第一Tube镜、长通二向色镜、聚焦物镜和所述曝光物面，所述DMD数字微镜阵列位于第一Tube镜焦面上，用于加载曝光图案；
用于将曝光物面上的图案成像到CCD探测器上的成像系统，所述成像系统包括所述长通二向色镜、所述聚焦物镜、所述曝光物面、第二Tube镜、分束棱镜和所述CCD探测器；
用于支撑曝光系统和成像系统的支撑结构，保证DMD和CCD的靶面相互共轭；
用于实现所述曝光物面位移运动及旋转的手动位移台；
用于支撑成像系统、曝光系统和匀光系统的台式结构。
其中，所述成像系统和曝光系统对称布置在长通二向色镜两侧，该二系统的下方设置所述手动位移台，该手动位移台为三维位移台。
本发明中，DMD靶面须与CCD靶面在物面的投影完全重合，故利用曝光光路和成像光路组成的二次成像系统，将DMD靶面上的十字图案成像到CCD的靶面上，从而完成粗对准，由于DMD像素尺寸与CCD像素尺寸存在差异，故需要设计算法，将两个靶面的像素一一对应起来，以便实现CCD成像精对准，相比传统的对准方法，结构简单，能够满足微米级微纳结构的加工应用。
本发明中，由于只有匀光系统、曝光系统及成像系统三部分，其结构非常简单，可集成为台式微结构加工设备，相比传统的光刻系统，其体积更小、结构紧凑、便于携带，能够实现在任意时刻任意地方在曝光样片都任意区域进行任意图案地曝光，满足了绝大多数领域的应用需求。
本发明的原理是：通过蝇眼匀光系统实现照明光场的匀化调制，保证DMD靶面的均匀照明；通过DMD数字微镜，完成曝光光场的调制，实现曝光图案的数字化控制；在此曝光系统的基础上，利用一个CCD成像光路代替传统的检焦对准系统，同时实现检焦、对准和实时成像等功能，并利用结构件将其集成为便携式的台式微结构加工设备。
本发明与现有技术相比，其优点在于：将图像检焦技术应用到微结构加工系统中，利用一支简单的CCD成像光路就同时实现了检焦、对准和实时成像三大功能，大大降低了光刻系统的复杂性，在同等微米级微结构加工系统中，本发明的结构更为紧凑、成本更低，具有较高的市场应用价值。
附图说明
图1为本发明的基于CCD成像检焦对准的微结构加工方法的光路图；
其中，101为带有非球面镜的365nmLED曝光光源，102为蝇眼透镜阵列，103为汇聚透镜，104为反射镜，105为DMD数字微镜阵列，106为Tube镜，107为长通二向色镜，108为聚焦物镜，109为曝光物面，110为三维移动台，111为白光成像光源，112为分束棱镜，113为CCD。
图2为匀光系统光路原理图；
其中，201为光源，202为非球面透镜，203为蝇眼透镜阵列，204为汇聚透镜，205为DMD靶面，206为蝇眼透镜焦面，207为汇聚透镜前焦面，208为汇聚透镜后焦面。
图3A为本发明的单个蝇眼透镜结构图；
图3B为本发明的蝇眼透镜阵列结构图；
图4为本发明在不同位置进行阶梯曝光的曝光结果图；
图5为本发明构建的图像清晰度评价函数曲线；
图6为本发明DMD靶面和CCD靶面粗对准时的十字型加载图案；
图7为本发明CCD成像图案和DMD加载图案在软件界面上对准后的显示结果。
图8为本发明整机结构图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的具体实施过程，下面将结合附图做进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明的基于CCD成像检焦对准的微结构加工方法的光路原理图，其具体步骤如下所示：
步骤一：根据图2的光路原理搭建非球面镜、蝇眼阵列和汇聚透镜组成匀光系统，并利用Zemax设计和调整三者之间的距离及蝇眼透镜阵列的形状，以便最大可能的利用蝇眼透镜阵列区域，将LED发出的365nm波长的紫光进行匀化处理，并用能量探测器测量其匀光的效果，以便DMD靶面被均匀照明；
步骤二：通过曝光光路系统，将DMD上的数字图案成像到曝光物面上，沿光轴方向移动物面，进行阶梯曝光，并利用高精度电感仪记录物面每次曝光的位置，从而找出最佳曝光位置，即为曝光焦面，然后微调CCD的位置，保证此时CCD上物面成像清晰(可利用图像清晰度评价函数进行CCD上图像清晰度的评定)，使得DMD曝光焦面和CCD成像焦面重合，即DMD和CCD互为共轭；曝光和成像两条光路具有对称性，要保证DMD、CCD和曝光物面互为共轭面，使得曝光焦面和CCD焦面重合；
步骤三：设计十字形图案加载到DMD靶面上，通过曝光光路投影到物面上，再经成像光路成像到CCD上，在垂直于光轴的平面移动CCD，使得十字形图案落到CCD靶面正中心，从而保证DMD和CCD靶面的粗对准；
步骤四：设计算法，将DMD和CCD靶面的像素点对应起来，保证DMD和CCD靶面的精对准，同时控制DMD的曝光；
通过步骤三和四，DMD的靶面和CCD的靶面中心重合，且曝光过程中没有相对旋转和移动，并通过算法设计，将两个靶面的像素点对应起来，使得可以直接利用CCD成像来实现对准；
步骤五：设计机械结构件，将上述匀光系统、曝光系统及成像系统固定支撑到台式平台上，完成便携式的台式微细加工设备的搭建。
步骤六：通过上述检焦和对准的标定后，在台式微细加工平台上可进行曝光实验，移动位移台，当CCD上成像清晰时，控制DMD进行曝光，同时在垂直于光轴的平面移动物面，进行曝光，并在高倍显微镜下查看结果，验证本基于CCD成像检焦对准的微结构加工方法的检焦精度和对准效果等性能，完成任意微结构的任意图案的便携式曝光。
CCD在实现检焦和对准的同时，还可实现实时成像，将CCD的成像与DMD曝光的图案通过算法，在计算机同一界面上显示，CCD实时成像作为背景，DMD曝光图案覆盖在其上面，能够满足任意时刻在硅片的任意位置实现任意图案的曝光光刻。
其中，单个蝇眼透镜、蝇眼透镜阵列的形状及其匀光系统各部件的之间的距离，可根据Zemax仿真优化和实验进行确定，非球面镜与蝇眼透镜之间的距离及蝇眼透镜的形状大小和其阵列的六边形大小在满足系统照明均匀性的前提下，用数量尽可能少的蝇眼透镜形成阵列进行匀光，以降低加工成本；非球面镜与蝇眼透镜之间的距离需合理设置，使通过非球面镜的光照明整个蝇眼阵列，以充分利用蝇眼透镜阵列。其最终的结果如下：单个蝇眼透镜形状如图3A所示，蝇眼透镜阵列形状如图3B所示；按原理图2所示，蝇眼透镜的焦面206与汇聚透镜207的前焦面重合，汇聚透镜的后焦面208与DMD靶面205重合，由此完成了微结构加工系统的匀光系统的设计及搭建。
其中，进行DMD曝光焦面和CCD成像焦面重合的调节，其中由于曝光光路存在装配误差，DMD曝光焦面和物镜焦面存在一定偏差，需利用高精度电感仪进行如图4所示的阶梯曝光实验，找到曝光焦面的位置，其位置为曝光效果最好，曝光图案最锐利的位置，即图4所示的位置k。
然后，以曝光位置作为CCD的成像焦面，调节CCD的位置，使CCD成像清晰。在这一步可引入图像检焦技术，利用图像清晰度评价函数进行求解。首先移动CCD的位置，采集一组图像序列。由于焦面上的图像比离焦的图像具有更锐化和丰富的边缘细节，其梯度值也就比较大，可对图像的边缘梯度进行计算，根据梯度值的大小来评价图像清晰程度。故对每一幅图片分别利用Brenner函数和laplace函数进行图像清晰图评价曲线的建立，假设采集的图片像素尺寸为M×N，每一个像素点的大小为f(x，y)，x和y为像素点的位置坐标。
则对于Brenner函数，Brenner函数对x方向上相差两个单位像素的梯度差进行计算，可以理解为二阶梯度，其清晰度评价函数表达式为：
其中，G(x，y)为掩模模板与图像的空间滤波：
掩模模板如下所示：
T＝[-1 0 1]
对于laplace函数，其清晰度评价函数表达式为：
其中，
掩模模板T为：
其结果如图5所示，图5为重合曝光焦面和成像焦面时，依据CCD轴向不同位置所成图像，利用图像清晰度评价函数构建的图像清晰度评价函数曲线，纵轴为图像清晰评价函数值，横轴为图片序列号或者每一图片对应的CCD轴向位置。可见曲线呈现出单一峰值，当位于清晰度评价函数曲线顶点时，即为与物面共轭的像平面位置，此时CCD成像最为清晰，当CCD位于这一顶点位置时，曝光焦面即为成像焦面，完成了曝光焦面和成像焦面的重合。
其中，DMD靶面和CCD靶面的对准，可设计如图6所示的十字图案，加载到DMD靶面上，通过曝光光路投影到物面上，再经成像光路成像到CCD上，在垂直于光轴的平面移动CCD，使得十字形图案落到CCD靶面正中心，完成DMD和CCD靶面的粗对准，并设计算法，将DMD和CCD靶面的像素点对应起来，保证DMD和CCD靶面的精对准，最终界面如图7所示，以CCD成像为背景，将DMD的图案透明化加载到CCD成像图片上，CCD成像和DMD曝光图案叠层重合，能够实现可视化的微米级曝光。
最后，通过机械支撑固定件将上述的匀光系统、曝光系统及成像系统集成到台式结构上，形成台式微结构加工设备，如图8所示。并在该台式微细加工平台上可进行曝光实验，移动位移台，当CCD上成像清晰时，及图像评价函数达到最大时，控制DMD进行曝光，同时在垂直于光轴的平面移动物面，进行曝光，并在高倍显微镜下查看结果，验证本基于CCD成像检焦对准的微结构加工方法的检焦精度和对准效果等性能，完成任意微结构的任意图案的便携式曝光。
本发明的主要器件包括：带非球面镜的365nm曝光光源101，蝇眼透镜阵列102，汇聚透镜103，两个反射镜104，DMD数字微镜阵列105，两个Tube镜106，长通二向色镜107，聚焦物镜108，曝光物面109，台式三维台110，白光成像光源111，分束棱镜112，CCD探测器113。其中，曝光光源101，蝇眼透镜阵列102，汇聚透镜103和两个反射镜104组成匀光系统，蝇眼透镜焦面206和汇聚透镜前焦面207重合，汇聚透镜后焦面208与DMD靶面205重合，实现DMD靶面的均匀照明，为曝光光路提供照明；DMD数字微镜阵列105位于Tube镜106焦面上，用于加载曝光图案，与Tube镜106、长通二向色镜107、聚焦物镜108和曝光物面109组成曝光光路，实现DMD上加载图案的曝光；白光成像光源111用于提供成像照明，分束棱镜112用于反射照明光束和透射成像光束，CCD探测器113位于Tube镜106的焦面上，用于采集图像，长通二向色镜107用于反射曝光光束和透射成像光束，聚焦物镜108用于聚焦成像，三维位移台110用于实现曝光物面109的X、Y、Z的三维移动，111、112、113、106、107、108、109和110组成成像光路，用来实现曝光焦面的位置检测和曝光位置的对准，同时实时成像，实现可视化曝光加工。
本发明的上述技术方案，通过设计光路使CCD与DMD共轭，当硅片处于焦面位置时，DMD上图案通过远心成像系统在硅片上成像清晰，同时由于CCD与DMD共轭，故硅片上的图案在CCD上也成像清晰，从而可以利用该共轭关系，以CCD上成像清晰度作为DMD曝光焦面的位置检测。并合适的选择CCD和DMD使其靶面相配，利用算法将DMD的曝光靶面和CCD成像靶面相对应，可同时实现DMD微纳加工的对准。本发明提出的技术方案在保证DMD微结构加工检焦和对准的同时，可实现光刻过程中的实时成像，能够满足任意时刻在硅片的任意位置实现任意图案的曝光光刻，便于各种二维材料的加工，且整机系统结构紧凑。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。
Claims (6)
1.一种基于CCD成像检焦对准的微结构加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：利用匀光系统，将LED发出的365nm紫光进行匀化处理，均匀的投射到DMD靶面上，使其照明均匀；所述匀光系统的组成部件包括非球面镜、蝇眼透镜阵列和汇聚透镜；
步骤二：通过曝光系统，将DMD上的数字图案成像到曝光物面上，沿光轴方向移动曝光物面，进行阶梯曝光，并利用高精度电感仪记录曝光物面每次曝光的位置，从中找出最佳曝光位置，即为曝光焦面，然后微调CCD的位置，保证此时CCD上物面成像清晰，使得DMD曝光焦面和CCD成像焦面重合，即DMD和CCD互为共轭；所述曝光系统为用于将DMD成像到曝光物面上的曝光系统；
步骤三：将十字形图案加载到DMD靶面上，通过曝光系统光路投影到曝光物面上，再经成像系统光路成像到CCD上，在垂直于光轴的平面移动CCD，使得十字形图案落到CCD靶面正中心，从而实现DMD和CCD靶面的粗对准；所述成像系统为用于将曝光物面上图案成像到CCD上的成像系统；
步骤四：将DMD和CCD靶面的像素点一一对应，实现DMD和CCD靶面的精对准，同时控制DMD的曝光；
步骤五：将上述匀光系统、曝光系统及成像系统固定支撑到台式平台上，完成便携式的台式微细加工设备的搭建；
步骤六：在所述台式平台上进行曝光实验，移动位移台，当CCD上成像清晰时，控制DMD进行曝光，同时在垂直于光轴的平面移动曝光物面，进行曝光，并在高倍显微镜下查看结果，验证检焦精度和对准效果；所述位移台为用于实现曝光物面位移运动及旋转的手动位移台。
2.根据权利要求1所述的一种基于CCD成像检焦对准的微结构加工方法，其特征在于，所述蝇眼透镜阵列和蝇眼透镜阵列中的单个蝇眼透镜的形状、以及所述匀光系统各组成部件之间的距离根据Zemax仿真优化和实验进行确定；所述蝇眼透镜阵列的焦面与汇聚透镜的前焦面重合，汇聚透镜的后焦面与DMD靶面重合。
3.根据权利要求1所述的一种基于CCD成像检焦对准的微结构加工方法，其特征在于，步骤二中，通过对图像的边缘梯度计算获得的梯度值大小来评价图像清晰程度。
4.根据权利要求1所述的一种基于CCD成像检焦对准的微结构加工方法，其特征在于，所述匀光系统还包括两个反射镜。
5.一种基于CCD成像检焦对准的微结构加工装置，其特征在于，包括：
用于提供均匀照明的匀光系统，所述匀光系统的组成部件包括非球面镜、蝇眼透镜阵列和汇聚透镜，所述匀光系统将LED发出的365nm紫光进行匀化处理，均匀的投射到DMD靶面上，使其照明均匀；
用于将DMD成像到曝光物面上的曝光系统，所述曝光系统包括DMD数字微镜阵列、第一Tube镜、长通二向色镜、聚焦物镜和所述曝光物面，所述DMD数字微镜阵列位于第一Tube镜焦面上，用于加载曝光图案；
用于将曝光物面上的图案成像到CCD探测器上的成像系统，所述成像系统包括所述长通二向色镜、所述聚焦物镜、所述曝光物面、第二Tube镜、分束棱镜和所述CCD探测器；
用于支撑曝光系统和成像系统的支撑结构，保证DMD和CCD的靶面相互共轭；
用于实现所述曝光物面位移运动及旋转的手动位移台；
用于支撑成像系统、曝光系统和匀光系统的台式结构。
6.根据权利要求5所述的一种基于CCD成像检焦对准的微结构加工装置，其特征在于，所述成像系统和曝光系统对称布置在长通二向色镜两侧，该二系统的下方设置所述手动位移台，该手动位移台为三维位移台。
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