专利名称：激光干涉纳米光刻中光束入射姿态检测及校准的方法和系统的制作方法
技术领域：
激光干涉纳米光刻可广泛应用于信息存储、先进制造、新能源和新材料等前沿领 域，本发明是在激光干涉纳米光刻中对光束入射姿态进行检测与校准，属于对激光干涉纳 米光刻技术的改进。
背景技术：
激光干涉纳米光刻主要是用激光器发出的两束或多束相干光在样品表面干涉来 产生纳米结构图案。一个激光干涉纳米光刻系统包括激光发射、光束整形、分束、相位控 制、干涉控制、偏振控制、光束检测、样品定位和系统控制。在激光干涉纳米光刻中，入射光 相对于样品表面的入射位置、入射角以及空间角直接决定光刻图案以及有效曝光面积。随 着近几年激光干涉纳米光刻技术的广泛研究和发展，越来越需要高精度的光束入射姿态检 测/校准方法。在传统的光束入射姿态的检测及校准中，只是通过距离测量、目测来确定 光束的入射位置、入射角及空间角，精度和效率较低；在扫描光束干涉光刻SBlUScarming beam interference lithography)中，使用PSD作为检测的核心器件进行光束检测，检测有 一定的局限性；加入了一些光学器件，安装/操作有一定的复杂度。在本发明中，使用新型 检测方法的光束姿态检测作为反馈部分与干涉控制、样品定位形成一个闭环系统。这个系 统可以自动、快速的对多光束的入射姿态进行高精度的检测和校准；安装/操作简单、价格 低，有利于未来激光干涉纳米光刻在工业生产中的应用。技术参考1. L. F. Johnson, G. W. Kammlott and K. A. Ingersoli, "Generation of periodic surface corrugations，，，Applied Optics, vol. 17, no. 8, pp 1165-1181,1978.2. Z. Wang, J. Zhang, Z. Ji , M. Packi anather , C. S. Peng, C. Tan , Y.K.Verevkin, S.M.Olaizola, T.Berthou and S. Tisserand, "Laser interference nanolithography, "Proceedings of the 3rd International Conference on Manufacturing Engineering, pp929-936,2008.3. C. G. Chen , R. K. Hei lmann , C. Joο , P. Τ. Konko 1 a, G. S. Pati and M. L. Schattenburg, ‘‘Beam alignment for scanning beam interference lithography,，，Journal of Vacuum Science & Technology B-Microelectronics and Nanometer Structures, vol. 20, no. 6,pp3071-3074, 2002.
发明内容
本发明目的在于提高激光干涉纳米光刻中的激光束相对于样本表面的入射精度 以保证光刻图案及曝光面积符合设计而提出的一种快速、稳定、高精度、安装/操作简单的 光束入射姿态的检测与校准方法以及系统。本发明的目的通过以下技术措施实现
(1)在激光干涉纳米光刻中，使用CCD检测每束激光在光刻样品表面形成的光斑， 通过光斑的基本参数来确定每束激光相对于光刻样品表面的入射姿态和入射姿态误差。使 用系统的调节装置对入射姿态误差进行快速、实时的校准，提高每束激光相对于光刻样品 表面的入射精度，保证光刻图案及曝光面积符合设计。(2)这种方法可以应用在任意入射光个数的激光干涉纳米光刻中，如二光束、三光 束、四光束及五光束。(3)这种方法也可以应用在二光束或者三光束干涉辅助两次曝光的激光干涉纳米 光刻中。(4)在检测光斑时，也可以用CCD代替光刻样品，直接拍摄激光束在CCD表面形成 的光斑，检测/校准完成后再用光刻样品替换CCD。(5)检测可以使用(XD，也可以使用CMOS和其它检测器件。(6)对采集到的光斑图进行计算机图像处理，可以准确的获得光斑的基本参数，如 形状、大小、位置。(7)在处理精度达到要求的前提下，计算机对光斑图进行的图像处理可以选择不 同的方法和方法组合，如均值滤波、二值化、边缘提取及最小二乘拟合。(8)通过光斑的基本参数可以推算出光束的入射姿态，包括入射位置、入射角、空 间角。与设计的理想入射姿态对比可确定入射姿态误差。(9)使用这种方法的激光干涉光刻系统由激光器，扩束器，分束器，反射镜，偏振片 及上述光学元器件装置的夹持与调节机构，样品定位机构，CCD所组成，通过改变光学元器 件相对摆放位置可以改变每束激光相对于光刻样品表面的入射角、空间角、入射位置。(10)改变光学元器件相对摆放位置，既可以通过电动调节，使用压电陶瓷、电转动 镜架等；也可以通过手动调节，使用平移微调架、转动微调架等。(11)对每束激光相对于光刻样品的入射姿态的校准过程校准空间角、校准入射 角、校准入射位置，反复这个过程，直到入射精度满足要求。(12)对激光束的入射角、空间角的校准也可以通过样品工作台的转动来辅助实 现；对激光束入射位置的校准也可以通过样品工作台的平移来辅助实现。本发明与现有方法相比的优点通过CXD采集、图像处理、数据分析，确定激光束入射姿态，检测过程无需添加光 学元器件、操作简单、快速、准确；通过改变光学元器件相对摆放位置以及样品工作台的调 节可消除任意已知误差，校准过程简单、快速、全面。在激光干涉纳米光刻系统中使用本方 法，安装简单、价格低，电动器件和数字控制器的使用可以让整个系统闭环、自动的完成实 际光刻中需要的检测/校准，有利于激光干涉纳米光刻在工业生产中的应用。
图1所示为使用本发明方法检测方式一的四光束激光干涉纳米光刻系统示意图。图2所示为使用本发明方法检测方式二的四光束激光干涉纳米光刻系统示意图。图3所示为单光束在样本表面上的入射示意图。图4所示为本发明方法检测方式一检测到的单光束光斑图及图像处理结果。图5所示为本发明方法检测方式二检测到的单光束光斑图及图像处理结果。
图6所示为在双光束激光干涉纳米光刻中本发明方法检测方式一检测到的双光 束光斑图。图7所示为在双光束激光干涉纳米光刻中本发明方法检测方式二检测到的双光 束光斑图。图8所示为在双光束激光干涉纳米光刻中本发明方法检测方式一检测到的条纹 图。图9所示为在双光束激光干涉纳米光刻中本发明方法检测方式二检测到的条纹 图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步描述，图1所示为使用本发明方法检测方式一 的四光束激光干涉纳米光刻系统包括激光器1，扩束镜2，准直系统3，反射镜4，偏振器件 5，分束与折光系统6，CCD 7，计算机8。由激光器1发出的激光束经扩束镜2和准直系统3 后，被反射镜4折转光路，通过偏振器件5将光束变成线偏振光，再由分束与折光系统6先 将激光束分成多个相干光束，再将多束光的各个光路分别控制，使它们以一定的入射角照 射到CCD 7的表面上。对每束入射光分别进行检测/校准，检测/校准一束时，其它入射光 被遮挡住。检测/校准过程CCD 7采集光斑图，通过计算机8对光斑图进行滤波、二值化、 边缘提取、最小二乘拟合，得到光斑近似椭圆的基本参数，推导出入射光相对于光刻样品表 面的入射位置、入射角、空间角。与理想情况比较可得到入射姿态误差，误差被反馈到入射 端，通过用线位移或角位移控制系统变换分束与折光系统6中光学器件的相对摆放位置完 成对误差的校准。校准顺序空间角、入射角、入射位置，每步之后都要重新进行检测，再进 行调节，检测/校准结束后需要用光刻样品替换CCD 7。图2所示为使用本发明方法检测方式二的四光束激光干涉纳米光刻系统，和检测 方式一相比，不同点在于光束直接入射在光刻样品9上，将加了镜头的CCD 10安装在适当 位置来实时采集光束在光刻样品表面上形成的光斑图，其他部分都与检测方式一相同。这 种检测方式的优点在于检测/校准后可直接进行光刻，避免了光刻样品替换CCD时可能出 现的误差。图3所示，由光斑图得到椭圆光斑的基本参数可推导出光束11的入射姿态入射 角12 = arc0S(椭圆短轴长度/椭圆长轴长度)；入射位置13 =椭圆圆心位置；空间角14 由椭圆的方向角决定。图4所示为本发明方法检测方式一采集到的单光束光斑图及对光斑图进行均值 滤波、二值化、边缘提取、最小二乘拟合的处理结果。图5所示为本发明方法检测方式二采集到的单光束光斑图及对光斑图进行均值 滤波、二值化、边缘提取、最小二乘拟合的处理结果。图6为在双光束激光干涉纳米光刻中使用本发明方法检测方式一时，采集到的双 光束光斑图。图7为在双光束激光干涉纳米光刻中使用本发明方法检测方式二时，采集到的双 光束光斑图。图8所示，在双光束激光干涉纳米光刻中使用本发明方法检测方式一时，通过调节光束强度采集到的清晰干涉条纹，条纹周期约129.7μπι。条纹参数验证了本发明方法检 测方式一的高检测精度。 图9所示，在双光束激光干涉纳米光刻中使用本发明方法检测方式二时，使用CCD 替换光刻样品采集到的干涉条纹，条纹周期约56. 4 μ m。条纹参数验证了本发明方法检测方 式二的高检测精度。
权利要求
1.一种在激光干涉纳米光刻中对光束入射姿态检测及校准的方法，其特征在于在激 光干涉纳米光刻中，使用CCD检测每束激光在光刻样品表面形成的光斑，通过光斑的基本 参数来确定每束激光相对于光刻样品表面的入射姿态和入射姿态误差。使用系统的调节装 置对入射姿态误差进行快速、实时的校准，提高每束激光相对于光刻样品表面的入射精度， 保证光刻图案及曝光面积符合设计。
2.根据权利要求1所述的在激光干涉纳米光刻中对光束入射姿态检测及校准的方法， 其特征在于这种方法可以应用在任意入射光个数的激光干涉纳米光刻中，如二光束、三光 束、四光束及五光束。
3.根据权利要求1和2所述的在激光干涉纳米光刻中对光束入射姿态检测及校准的方 法，其特征在于这种方法也可以应用在二光束或者三光束干涉辅助两次曝光的激光干涉 纳米光刻中。
4.根据权利要求1-3所述的在激光干涉纳米光刻中对光束入射姿态检测及校准的方 法，其特征在于在检测光斑时，也可以用CCD代替光刻样品，直接拍摄激光束在CCD表面形 成的光斑，检测/校准完成后再用光刻样品替换CCD。
5.根据权利要求1-4所述的在激光干涉纳米光刻中对光束入射姿态检测及校准的方 法，其特征在于检测可以使用CCD，也可以使用CMOS和其它检测器件。
6.根据权利要求1-5所述的在激光干涉纳米光刻中对光束入射姿态检测及校准的方 法，其特征在于对采集到的光斑图进行计算机图像处理，可以准确的获得光斑的基本参 数，如形状、大小及位置。在处理精度达到要求的前提下，计算机对光斑图进行的图像处理 可以选择不同的方法和方法组合，如均值滤波、二值化、边缘提取及最小二乘拟合。
7.根据权利要求1-6所述的在激光干涉纳米光刻中对光束入射姿态检测及校准方法， 其特征在于通过光斑的基本参数可以计算出光束的入射姿态，包括入射位置、入射角及空 间角。与设计的理想入射姿态对比可确定入射姿态误差。
8.根据权利要求1-7所述的在激光干涉纳米光刻中对光束入射姿态检测及校准方法， 使用这种方法的激光干涉光刻系统，其特征在于该系统由激光器、扩束器、分束器、反射 镜、偏振片及上述光学元器件装置的夹持与调节机构、样品定位机构及CXD所组成，通过改 变光学元器件相对摆放位置可以完成对每束激光的入射位置、入射角及空间角的校准。
9.根据权利要求8所述的激光干涉纳米光刻系统，该系统改变光学元器件相对摆放位 置的特征在于改变光学元器件相对摆放位置，既可以通过电动调节，使用压电陶瓷、电转 动镜架等；也可以通过手动调节，使用平移微调架、转动微调架等。
10.根据权利要求8和9所述的激光干涉纳米光刻系统，该系统对光束入射姿态校准的 特征在于对激光束的入射角和空间角的校准也可以通过样品工作台的转动来辅助实现； 对激光束入射位置的校准也可以通过样品工作台的平移来辅助实现。
全文摘要
本发明公开了一种在激光干涉纳米光刻中对光束入射姿态进行检测及校准的方法，其特征在于在激光干涉纳米光刻中，使用CCD检测每束激光在光刻样品表面形成的光斑并进行计算机图像处理，通过光斑的形状、位置等参数来确定激光束相对于光刻样品表面的入射姿态，包括入射位置、入射角及空间角，并通过和理想入射姿态对比确定入射姿态误差。使用系统的调节装置对光束入射姿态进行相应的校准。在这种方法中，使用CCD检测光斑，计算机处理并确定多束光入射姿态，因此可以精确地检测到激光束相对于光刻样品表面的入射位置、入射角及空间角，使得入射光校准能够保证最终的光刻图案及曝光面积符合设计。该方法安装/操作简单、检测/校准快速，有利于激光干涉纳米光刻在工业生产中的应用。
文档编号G03F7/20GK102043347SQ201010511168
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者刘兰娇, 宋正勋, 宋浩, 徐佳, 王作斌, 翁占坤, 胡贞 申请人:长春理工大学