一种用于标定精密显微设备极限分辨率的模板制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于标定精密显微设备极限分辨率的模板制造方法，包括：进行模板的直写加工轨迹优化设计，包括：基于一种以圆心为中心向四周发散的多个扇形加工区域，每个扇形加工区域包含多个均匀分布的栅条，且需要保证在圆周方向上每个栅条的栅距尺寸连续变化，并面向实际表征需求，作如下修正：1）在结构的圆心位置设计一个直写特征点；2）在靠近中心区域设置一段不加工区域；3）在比所述的不加工区域的更加远离直写特征点的区域，再设置一段面向加工的展宽效应修正区域；4）设置多个结构宽度标记。本发明实现结构栅距从5nm～20μm连续变化、结构深度（高度）可控的计量模板制造。
【专利说明】一种用于标定精密显微设备极限分辨率的模板制造方法
所属【技术领域】
[0001]本发明属于先进制造、微纳制造、微观形貌计量表征等领域。提出一种用于标定精密显微设备极限分辨率的模板制造方法。
【背景技术】
[0002]随着微纳制造技术的迅猛发展，对微观形貌的高精度显微表征需求越来越多，包括，光学显微镜、白光干涉仪、原子力显微镜、扫描隧道显微镜和电子显微镜等在内的，各种精密显微计量技术得到了广泛应用。其中，白光干涉仪、激光共聚焦和原子力显微镜技术是三维尺寸微观形貌测量的核心方法，光学显微镜和扫描电子显微镜广泛用于二维显微测量。
[0003]如何准确表征和探测精密显微测量方法及装备的测量精度、极限分辨率，对于不同显微表征结果的分析与评价、显微测量装备的开发等，均具有重要的科学意义和应用价值。
[0004]通过尺寸溯源到国际标准单位“米”，可以对设备测量精度进行标定。图1所示为扫描探针显微镜尺寸溯源示意图，其中标准结构(Calibration of physical standards)在整个校准和标定中占有重要的地位。目前广泛使用的标准结构通常采用固定周期的光栅结构，如MIKR0MASCH公司的TGZ Series、NT-MDT公司的TGQl等。由于固定周期的光栅结构中，光栅周期在数值上是非连续的，因此，在用于标定测量方法的极限分辨率中存在约束与不足。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服传统显微模板结构很难探测仪器极限分辨率的不足，提出了用于标定精密显微方法极限分辨率的模板制造方法。本发明的技术方案如下:
[0006]一种用于标定精密显微设备极限分辨率的模板制造方法，采用能量束直写制造方法，包括下列步骤:
[0007](I)根据不同结构栅距变化范围的应用需求，有针对性的选择能量束直写制造的加工参数；
[0008](2)进行模板的直写加工轨迹优化设计，包括:基于一种以圆心为中心向四周发散的多个扇形加工区域，每个扇形加工区域包含个数不少于2个的均匀分布的栅条，且需要保证在圆周方向上每个栅条的栅距尺寸连续变化，并面向实际表征需求，作如下修正:1)为了在表征应用中精确定位结构的中心位置，在结构的圆心位置设计一个直写特征点；2)鉴于能量束本身的加工能力及其自身的展览效应，为保证结构中心区域的制造完整性和结构一致性，在靠近中心区域设置一段不加工区域；3)在比所述的不加工区域的更加远离直写特征点的区域，再设置一段面向加工的展宽效应修正区域，补偿因束斑直径展宽对制造结果的影响，每个展宽效应修正区域的宽度沿径向方向连续变化，加工深度不变；4)在每个扇形加工区域处，沿着某个径向方向设置多个结构宽度标记；5)整体结构的直径和扇形加工区域及其所包含的栅条的数量面向应用进行设计和调整；
[0009](3)基于上述的优化设计结构，开展计量模板的能量束直写制造，实现结构栅距在5nm?20 μ m范围内连续变化、结构深度或高度可控的计量模板制造。
[0010]本发明中，圆心位置的直写特征点其尺寸根据应用需求进行调整，其直径变化范围为IOnm?IOOOnm ;靠近中心区域设置的不加工区域的范围，要根据选择的直写方法及其极限加工能力进行设置；标记的设计和制造不能破坏模板栅距连续变化的特征；模板的基底材料选择金属、金属薄膜或单晶材料；可以采用激光束、离子束或电子束作为能量束，制造方式为局部诱导沉积或单晶材料的离子束轰击隆起。
[0011]作为一种实施方式，扇形加工区域可以在360度整周范围内均匀分布。作为另一种实施方式，结构深度或结构高度随距离结构中心的距离而分段变化，最小结构高度为I?2nm,最小结构深度为3?5nm。
[0012]本发明涉及的用于标定精密显微设备极限分辨率的模板制造新方法，面向各种光学显微和扫描探针显微方法极限分辨率的评价需求，通过优化加工轨迹，利用能量束直写方法，实现结构栅距从5nm?20 μ m连续变化、结构深度(高度)可控的计量模板制造。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1 (a)模板加工轨迹设计方案I。
[0014]图1(b)为模板加工轨迹设计方案I的中心部分放大图。
[0015]图1 (C)为模板加工轨迹设计方案2。
[0016]图1 (d)为模板加工轨迹设计方案3。
[0017]图2 Ca)白光干涉仪表征结果。(a)是模板的白光干涉仪整体表征结果。
[0018]图2 (b)为距圆心37.5μπι处的结构轮廓曲线图。
[0019]图2(c)是白光干涉仪表征的模板靠近结构中心的显微结果(白光PSI模式，503倍放大倍率)。
[0020]图2(d)为距圆心6.3μπι处的结构轮廓曲线图。
[0021 ]图3 (a)激光共聚焦显微镜显微结果(427倍放大倍率)。
[0022]图3 (b)原子力显微镜的表征结果。
[0023]图3 (C)计量模板的加工结果(扫描电镜)。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
[0025]图1给出了本发明的计量模板的直写加工轨迹的三种设计方案。
[0026]图1 (a)模板加工轨迹设计方案1，图中加工时间与图片对应的灰度值成正比，灰度值为O (纯黑色)位置的加工时间为0，灰度值为255 (纯白色)位置的加工时间为最大值(设定值)。图1(b)为模板加工轨迹设计方案I的中心部分放大图。整个计量模板采用基于一种以圆心为中心向四周发散的多个扇形加工区域结构，并面向实际表征需求，作如下修正:1)为了在表征应用中精确定位结构的中心位置，在结构的圆心位置设计一个直写特征点，圆心位置的直写特征点其尺寸根据应用需求进行调整，其直径变化范围为IOnm?lOOOnm。2)鉴于能量束本身的加工能力及其自身的展宽效应，为保证结构中心区域的制造完整性和结构一致性，在靠近中心区域设置一段不加工区域；3)在靠近中心区域设置的不加工区域的远离直写特征点的区域，再设置一段面向加工的展宽效应修正区域，补偿因束斑直径展宽等对制造结果的影响，每个展宽效应修正区域的宽度沿径向方向连续变化，力口工深度不变；4)在一些扇形加工区域处，沿着径向方向设置多个结构宽度标记5)整体结构的直径和扇形加工区域的数量面向应用进行设计和调整。本设计方案中，各个扇形加工区域在扇形加工区域在360度整周范围内均匀分布，每个均匀分布的扇形加工区域的数量为3个，在圆周方向上栅距尺寸连续变化。
[0027]图1(c)为模板加工轨迹设计方案2，设计扇形加工区域也在不同局部角度范围内均匀分布，与设计方案I不同的是，在不同的局部角度范围之间，扇形加工区域的宽度是不同的；
[0028]图1 (d)为模板加工轨迹设计方案3，与设计方案I不同的是，结构深度可控变化，对于每个扇形加工区域，从里向外加工深度分段变化，里面加工深度较浅。
[0029]本发明的计量模板的白光干涉仪表征结果如图2所示，从模板靠近结构中心的显微结果(白光PSI模式，503倍放大倍率)看出，在距离圆心3.15 μ m的圆周上，白光干涉测量结果开始无法分辨整个32周期峰谷结构(只能分辨31个周期)，如黑色箭头标记所示，表明在该临界位置达到了测试仪器的横向分辨率极限。通过多次计量可以得出白光PSI模式在503倍放大倍率，其横向极限分辨率为309nm。
[0030]本发明的制造方法，基底材料可以选择金属、金属薄膜、单晶材料等，如Cr膜、单晶硅等。采用的制造方法包括激光束、离子束或电子束，制造方式可以是材料去除或材料添力口 (局部诱导沉积和单晶材料的离子束轰击隆起等)。
[0031]下面是具体的设计和制造参数:
[0032](I)整体结构设计:设计计量结构的直径为81.5 μ m，周期数为32，对于整圈均匀分布的结构而言,特征结构宽度标记分别为4μ m, 3.2 μ m,2.4μ m, 1.6 μ m,0.8 μ m。
[0033](2)利用聚焦离子束直写技术进行计量模板的制造，聚焦离子束的加工参数如下:离子束能量选择30KV，离子束的束流IOOpA和500pA，加工驻留时间选择为20 μ S。
【权利要求】
1.一种用于标定精密显微设备极限分辨率的模板制造方法，采用能量束直写制造方法，包括下列步骤: (1)根据不同结构栅距变化范围的应用需求，有针对性的选择能量束直写制造的加工参数； (2)进行模板的直写加工轨迹优化设计，包括:基于一种以圆心为中心向四周发散的多个扇形加工区域，每个扇形加工区域包含个数不少于2个的均匀分布的栅条，且需要保证在圆周方向上每个栅条的栅距尺寸连续变化，并面向实际表征需求，作如下修正:1)为了在表征应用中精确定位结构的中心位置，在结构的圆心位置设计一个直写特征点；2)鉴于能量束本身的加工能力及其自身的展览效应，为保证结构中心区域的制造完整性和结构一致性，在靠近中心区域设置一段不加工区域；3)在比所述的不加工区域的更加远离直写特征点的区域，再设置一段面向加工的展宽效应修正区域，补偿因束斑直径展宽对制造结果的影响，每个展宽效应修正区域的宽度沿径向方向连续变化，加工深度不变；4)在每个扇形加工区域处，沿着某个径向方向设置多个结构宽度标记；5)整体结构的直径和扇形加工区域及其所包含的栅条的数量面向应用进行设计和调整； (3)基于上述的优化设计结构，开展计量模板的能量束直写制造，实现结构栅距在5nm?20 μ m范围内连续变化、结构深度或高度可控的计量模板制造。
2.根据权利要求2所述的模板制造方法，其特征在于，扇形加工区域在360度整周范围内均匀分布。
3.根据权利要求3所述的模板制造方法，其特征在于，所制造的模板，结构深度或结构高度随距离结构中心的距离而分段变化，最小结构高度为I?2nm，最小结构深度为3?5nm。
4.根据权利要求1所述的模板制造方法，其特征在于，所述的直写制造方法，采用激光束、离子束或电子束作为能量束，制造方式为局部诱导沉积或单晶材料的离子束轰击隆起。
5.根据权利要求2所述的模板制造方法，其特征在于，圆心位置的直写特征点其尺寸根据应用需求进行调整，其直径变化范围为IOnm?lOOOnm。
6.根据权利要求2所述的模板制造方法，其特征在于，靠近中心区域设置的不加工区域的范围，要根据选择的直写方法及其极限加工能力进行设置。
7.根据权利要求2所述的模板制造方法，其特征在于，标记的设计和制造不能破坏模板栅距连续变化的特征。
8.根据权利要求3所述的模板制造方法，其特征在于，模板的基底材料选择金属、金属薄膜、单晶材料。
【文档编号】B82Y40/00GK103760384SQ201310756423
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】房丰洲, 徐宗伟, 申雪岑 申请人:天津大学