CN114544498A - 一种光刻样品及微纳结构跟踪装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种光刻样品及微纳结构跟踪装置及方法,包括系统光路的搭建,数据标定,实验测试等步骤。针对象散法容易受到噪声影响的问题,提供了一种差分象散法实现高速高精度的跟踪;针对功率探测器件容易受微纳结构表面反射率的影响,提供了一种光斑直径法实现微纳结构表面的高精度跟踪。对于刻写光刻样品时,要求高数值孔径物镜、高速度与精度跟踪,以差分象散法为主跟踪,并借助光斑直径法为限位,确保跟踪精度与稳定性;对于微纳结构跟踪时微纳结构表面反射率不均匀,因此以光斑直径法为主跟踪,并根据差分象散法快速获取准焦位置,提高跟踪速度与精度。本发明实现了光刻样品与微纳结构高速高精度高可靠性的跟踪,具有很好的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及激光直写光刻,微纳结构图形高速跟踪领域,是一种基于象散法和激光光斑直径检测离焦量以实现高速高精度跟踪、单层微纳光学器件结构检测的装置及方法。
背景技术
在大面积激光直写光刻领域,为了达到更高的刻写精度,通常会采用高数值孔径的物镜,此类物镜一般有着很高的放大倍数,同时也伴随着更小的视场。因此在系统工作过程中,由于样品位置放置不平整、运动平台在运动过程中的抖动,以及外部环境对系统的干扰等等原因,样品的离焦问题就会出现,使得刻写过程都无法达到理想的效果,因此需要高精度高灵敏度的跟踪方法。
此外,针对单层微纳结构光学器件,其具体微纳结构对其光学性能有着很大的影响,因此其结构检测就显得至关重要。因此需要对微纳结构图形进行实时自动跟踪以及成像。
当前多采用基于象散法的跟踪方法,取得了非常好的效果。但是基于象散法的自动跟踪方法很容易受到电流噪声、系统噪声、环境噪声的影响,使其灵敏度与跟踪精度大大降低。此外,由于象散法多通过光斑能量进行判断,当微纳结构图形出现不同反射率的区域时,象散法容易出现跟踪不准确,同时也无法实现对微纳结构图形的检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光刻样品及微纳结构跟踪装置及方法。在进行离焦量检测的过程中,针对象散法自动跟踪方法特别容易受到电源噪声、系统噪声、环境噪声影响的问题,提供了一种差分象散法实现高速高精度的跟踪;针对功率探测器件容易受微纳结构表面反射率的影响,提供了一种光斑直径法实现微纳结构表面的高精度跟踪。对于激光直写装置刻写光刻样品时,光刻样品要求高数值孔径物镜、高速度与精度跟踪,因此我们以差分象散法为主跟踪,并借助光斑直径法为限位,确保跟踪精度与稳定性;对于微纳结构跟踪时,微纳结构要求大视场与高精度,但是微纳结构表面反射率不均匀,因此我们以光斑直径法为主跟踪,并根据差分象散法快速获取准焦位置,提高跟踪速度与精度,图6为两种物镜视野对比图。
为达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一种光刻样品及微纳结构跟踪装置及方法,其特点在于,包括红光模块、调焦机构、压电陶瓷、显微物镜、二向色棱镜、探测器、CCD、成像模块、计算机、控制器等;
所述探测器的输出端与所述控制器的输入端相连,且该控制器与所述计算机通讯;
所述CCD的信号输出端与所述控制器的输入端相连,且该控制器与所述计算器进行通讯;
所述压电陶瓷的控制输入端与所述控制器输出端相连,且该控制器与所述计算器进行通讯;
利用所述的光刻样品及微纳结构跟踪装置进行跟踪的方法,其特征在于,该方法主要包括以下步骤:
①搭建装置,包括红光模块(1)、二向色光分光平片(2)、调焦机构(3)、压电陶瓷(4)、显微物镜(5)、工件台(7)、分光棱镜(8)、透镜(9)、CCD(10)、柱面镜CLx(11)、柱面镜Cly(12)、探测器(13)、控制器(14)、成像模块(15)、计算机(16);
②将红光模块(1)功率调至pmW;
③差分离焦信号参数设置:
b)定义差分离焦信号为FES,公式如下:
④CCD光斑信号设置,CCD(10)输出的光斑图像信号传输到控制器,利用图像算法获取光斑直径;
⑤所述的一种光刻样品及微纳结构跟踪装置及方法可以实现不同功能,根据不同功能有不同的实现步骤:
功能1)激光直写刻写光刻样品时,根据差分差分象散法实现精密离焦量的检测,进而实现激光跟踪刻写,实现该功能主要包括以下步骤:
a)将显微物镜(5)更换为数值孔径NA1、放大倍数M1的刻写物镜;
b)将样品(6)放置在工件台(7)上,并通过工件台(7)上夹具固定样品,此时样品选择表面镀膜的光刻片;
c)控制压电陶瓷(4)处在中间位置,此时通过调焦机构(3)使得样品(6)的表面通过成像模块(15)在计算机(16)清晰成像,并设此时为焦点;
d)通过计算机(16)控制工件台(7)做扫描运动,使得装置遍历样品(6)表面,并通过此过程获取样品(6)表面反射的最大和最小光斑直径Dmax和Dmin;
e)当我们通过控制调焦机构使得成像模块(15)获取成像清晰时,认为准焦,并记录此时为初始位置,此时的FES值和压电陶瓷伸缩量为FES0和a0;
f)根据差分离焦信号FES,控制压电陶瓷(4)于中间位置上下运动Lum,运动分辨率Δxnm,设置压电陶瓷伸缩量a的值为fo-Lum至fo+Lum,间隔Δxnm,并计算相应的FES值,绘制FES-a曲线,得到FES值与位置变化的对应曲线,进而根据FES值可以获得当前位置的具体对应关系;
g)当系统在工作时,我们通过计算机(16)控制工件台(7)按照我们需要的轨迹运动,此时样品(6)随着工件台(7)一起运动;
h)当系统在运动过程中时,可能会处在离焦状态;当系统处在离焦状态时,记录此时的FES值为FESn,根据之前记录的FES值与离焦量变化的对应曲线,获取此时的压电陶瓷伸缩量为an,进而可以得到离焦量为|an-a0|;
i)此时控制压电陶瓷根据获取的离焦量|an-a0|进行补偿,调整系统至准焦位置。考虑到反射率不同时的情况,我们根据CCD(10)获取光斑直径大小进行限位,即设置压电陶瓷运动时,实时光斑直径D满足D∈[Dmin,Dmax],当差分信号由于样品反射率变化出现异常时,采用光斑直径与离焦量对应关系控制压电陶瓷进行补偿;
j)此时即可实现对于表面较为均匀、反射率变化不大的光刻片的跟踪,进而实现激光直写光刻等操作;
功能2)微纳结构跟踪时,根据光斑直径法得出离焦距离,实现高速高精度高灵敏度跟踪不同反射率的样品,实现该功能主要包含以下步骤:
a)将显微物镜(5)更换为数值孔径NA2,放大倍数M2的跟踪物镜;
b)将样品(6)放置在工件台(7)上,并通过工件台(7)上夹具固定样品,此时样品选择刻写完成光刻片,或者具有微纳图形的样品,如图2所示;
c)控制压电陶瓷(4)处在中间行程,此时通过调焦机构(3)使得样品(6)的表面通过成像模块(15)在计算机(16)清晰成像,并设此时为焦点;
d)控制压电陶瓷(4)于中间行程处上下运动lum,找出CCD(10)探测到的最大光斑直径dmax与最小光斑直径dmin,并计算处在中间行程的光斑直径控制压电陶瓷回到中间行程,调节扩束镜(2)使得CCD(10)中的激光光斑直径为d,随后控制压电陶瓷(4)上下运动lum,运动分辨率为Δxnm,完成激光光斑与离焦距离的数据标定,绘制激光光斑直径与离焦量的拟合曲线;
e)选取样品(6)反射率较为均匀的区域,通过探测器(13)获取的差分信号进行快速跟踪,使压电陶瓷运动至接近准焦的位置,同时满足激光光斑探测的行程范围;
f)通过CCD(10)采集的激光光斑直径数据得出不同位置的离焦量,进而控制压电陶瓷自动跟踪;
g)当系统处在准焦状态时,即可通过根据成像模块获取样品表面的结构特征,实现样品微纳结构的检测。
与现有技术相比,本发明的技术效果如下:
1)通过计算差分离焦信号,减小了电流噪声、系统噪声、环境噪声带来的影响,极大地提高了灵敏度和跟踪精度。
2)通过CCD直接测量反射光光斑直径得出离焦量,可以实现针对样品表面反射率不断变化的微纳结构图形,应用范围广。
其优点是:
克服了原有象散法用于跟踪微纳结构的精度问题与光斑直径法用于高速跟踪问题,将两种跟踪方法进行融合,实现了光刻样品与微纳结构高速高精度高可靠性的跟踪。
附图说明
图1本发明装置示意图;
图2本发明所用样品图;
图3本发明差分象散法示意图;
图4本发明光斑直径不同离焦位置示意图;
图5本发明离焦量与激光光斑直径拟合曲线图;
图6两种物镜视野的对比及对跟踪速度的要求;
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明,但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1:
如图1所示,光刻样品及微纳结构跟踪装置,包括红光模块1、二向色光分光平片2、调焦机构3、压电陶瓷4、显微物镜5、工件台7、分光棱镜8、透镜9、CCD10、柱面镜CLx11、柱面镜Cly12、探测器13、控制器14、成像模块15、计算机16;
所述红光模块1发出光经过二向色光分光平片2反射后,入射到显微物镜5,经显微物镜5汇聚后,照射在样品6上,然后经样品6反射后,沿原路返回红光模块1,经该回红光模块1反射后,经分光棱镜8等比例分成反射光和透射光,所述的反射光经过透镜9汇聚到CCD10,所述的透射光依次经过柱面镜CLx11、柱面镜Cly12汇聚到探测器13;所述CCD10以及探测器13的输出端与所述控制器14的输入端相连,控制器14与计算机通过TCP协议进行通信,同时控制器14控制压电陶瓷4的伸缩量。
所述成像模块15发出一束平行白光依次经过所述二向色分光平片2后入射到显微物镜5、最后聚焦到样品6上,经过该样品的反射,沿原入射光路返回至成像模块15,该成像模块15与所述计算机16相连,并与计算机通讯,通过所述计算机16成像;
光刻样品及微纳结构方法,其特征在于,该方法在进行激光直写刻写时主要包括以下步骤:
a)将样品6放置在工件台7上,此时样品选择表面镀膜的光刻片,显微物镜5更换为数值孔径NA1=0.95、放大倍数M1=100的刻写物镜;
b)调节红光模块,将红光功率调至p=50mW;
d)CCD10输出信号以图像的形式传输到控制器,并通过一系列图像算法获取光斑直径;
e)控制压电陶瓷4处在中间行程,此时通过调焦机构3使得样品6的表面通过成像模块15在计算机16清晰成像,并设此时为焦点;
f)控制装置遍历样品6表面,并通过此过程获取样品6表面反射的最大和最小光斑直径为Dmax和Dmin;
g)记录准焦时的FES值和压电陶瓷伸缩量为FES0和a0;
h)控制压电陶瓷4于中间行程上下运动l=20um,运动分辨率2nm,设置压电陶瓷伸缩量a的值为fo-20um至fo+20um,间隔2nm,并计算相应的FES值,绘制FES-a曲线;
i)系统在运动过程中时,可能会处在离焦状态;当系统处在离焦状态时,记录此时的FES值为FESn,根据之前记录的FES值与离焦量变化的对应曲线,获取此时的压电陶瓷伸缩量为an,进而可以得到离焦量为|an-a0|;
j)控制压电陶瓷根据获取的离焦量|an-a0|进行补偿,同时要求实时光斑直径满足D∈[Dmin,Dmax],差分信号由于样品反射率变化出现异常时,采用光斑直径与离焦量对应关系控制压电陶瓷进行补偿;
该方法在微纳结构图形快速跟踪时,主要包括以下步骤:
a)将具有微纳结构的样片放置在工件台7上,将显微物镜5更换为数值孔径NA2=0.75,放大倍数M2=20的跟踪物镜;
b)控制压电陶瓷4处在中间行程,此时通过调焦机构3使得样品6的表面通过成像模块15清晰成像,并设此时为焦点;
c)控制压电陶瓷4于中间位置处上下运动l=30um,找出CCD10探测到的最大光斑直径dmax与最小光斑直径dmin,并计算出中间位置的光斑直径控制压电陶瓷回到中间位置,调节红光模块1使得CCD10中的激光光斑直径为d,随后控制压电陶瓷4上下运动l=30um,运动分辨率为2nm,完成激光光斑与离焦距离的数据标定,绘制激光光斑直径与离焦量的拟合曲线,如图5所示;
d)选取样品6反射率较为均匀的区域,通过探测器13获取的差分信号进行快速跟踪,使压电陶瓷运动至接近准焦的位置,同时满足激光光斑探测的行程范围;
e)通过CCD10采集的激光光斑直径数据得出不同位置的离焦量,进而控制压电陶瓷自动跟踪。
Claims (4)
1.一种光刻样品及微纳结构跟踪装置,其特征在于,包括红光模块(1)、二向色光分光平片(2)、调焦机构(3)、压电陶瓷(4)、显微物镜(5)、样品(6)、工件台(7)、分光棱镜(8)、透镜(9)、CCD(10)、柱面镜CLx(11)、柱面镜Cly(12)、探测器(13)、控制器(14)、成像模块(15)、计算机(16);
所述红光模块(1)发出光经过二向色光分光平片(2)反射后,入射到显微物镜(5),经显微物镜(5)汇聚后,照射在样品(6)上,然后经样品(6)反射后,沿原路返回至红光模块(1),经该红光模块(1)反射后,经分光棱镜(8)等比例分成反射光和透射光,所述的反射光经过透镜(9)汇聚到CCD(10),所述的透射光依次经过柱面镜CLx(11)、柱面镜Cly(12)汇聚到探测器(13);所述CCD(10)以及探测器(13)的输出端与所述控制器(14)的输入端相连,且该控制器(14)与所述计算机(16)进行通讯;
所述成像模块(15)发出一束平行白光依次经过所述二向色分光平片(2)后入射到显微物镜(5)、最后聚焦到样品(6)上,经过该样品的反射,沿原入射光路返回至成像模块(15),该成像模块(15)与所述计算机(16)相连,并与计算机通讯,通过所述计算机(16)成像;
所述压电陶瓷(4)固定在所述调焦机构(3)上,并且可以通过调整所述调焦机构(3)上下运动;
所述压电陶瓷(4)的输入端与所述控制器(14)的输出端相连,并且可以通过计算机(16)发送指令控制压电陶瓷运动;
所述显微物镜(5)固定在所述压电陶瓷(4)上,并且可以与压电陶瓷同步运动。
2.根据权利要求1所述的光刻样品及微纳结构跟踪装置,其特征在于,所述压电陶瓷行程为100;
所述红光模块(1)发出红光为658;
所述CCD(10)到透镜(9)的距离以及物镜到显微物镜(5)的距离固定,并且能够使得经所述经分光棱镜(8)后的反射光汇聚到CCD(10)成像;
所述探测器(13)与柱面镜CLx(11)、柱面镜Cly(12)的距离固定,并且能够使得所述经分光棱镜(8)后的透射光汇聚到探测器(13)中心。
3.一种光刻样品及微纳结构跟踪方法,其特征在于,该方法主要包括以下步骤:
②控制压电陶瓷(4)于中间行程处上下运动Lum,运动分辨率Δx nm,设置压电陶瓷伸缩量a的值为fo-Lum至fo+Lum,间隔Δx nm,并根据相应的FES值,绘制FES-a曲线,得到FES值与位置变化的对应曲线;
③当工件台(7)运动,样品处于离焦状态时,记录此时的FES值为FESn,根据FES-a曲线,获取此时的压电陶瓷伸缩量为an,进而得到离焦量为|an-a0|;
④控制器接收CCD(10)测得光斑图像信号,利用图像算法得到照射在样品上的光斑直径;
⑤控制压电陶瓷(4)上下运动lum,运动分辨率为Δx nm,完成激光光斑与离焦距离的数据标定,绘制激光光斑直径与离焦量的拟合曲线;
⑥工件台(7)运动时,样品表面的光斑直径不断变化,然后根据激光光斑直径与的拟合曲线,得出当前位置的离焦量;
⑦在激光直写刻写光刻样品时,根据差分离焦信号实现精密离焦量的检测,并实现样品的高速高精度跟踪,进而实现激光跟踪刻写;微纳结构跟踪时,根据光斑直径法得出离焦距离,实现高速高精度高灵敏度跟踪不同反射率的样品。
4.根据权利要求3所述的一种光刻样品及微纳结构跟踪方法,其特征在于,所述装置用于激光直写刻写光刻样品时,光刻样品要求高数值孔径物镜、高速度与高精度跟踪,以差分象散法为主跟踪,并借助光斑直径法为限位,确保跟踪精度与稳定性;所述装置用于微纳结构跟踪时,微纳结构要求大视场与高精度,由于微纳结构表面反射率不断变化,以光斑直径法作为主跟踪,并借助差分象散法快速获取准焦位置,提高跟踪速度与精度。
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CN115046744A (zh) * | 2022-08-15 | 2022-09-13 | 之江实验室 | 基于slm生成光斑点阵的焦面检测及调倾方法与装置 |
CN115046744B (zh) * | 2022-08-15 | 2022-11-08 | 之江实验室 | 基于slm生成光斑点阵的焦面检测及调倾方法与装置 |
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CN114544498B (zh) | 2024-04-12 |
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