一种亚波长光子筛聚焦性能检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种亚波长光子筛聚焦性能检测方法。该检测方法采用曝光法和扫描法相结合的混合检测系统，由激光光源、扩束准直系统、亚波长光子筛、已涂有光刻胶的硅片、真空泵、工件台、计算机控制系统组成；其中，工件台由PI公司的二维工件台和压电陶瓷共同组成，二维工件台用于粗调，压电陶瓷用于精调；工件台的运动方向及步进值由计算机控制系统的软件进行设置，其中X方向控制焦距的步进，Y方向控制聚焦光斑的移动。本发明的检测方法的测量精度不受CCD像素间距的影响，无需光学放大环节，不改变光斑在空间的实际能量分布。
【专利说明】一种亚波长光子筛聚焦性能检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学【技术领域】，尤其涉及的是一种亚波长光子筛聚焦性能检测方法。【背景技术】
[0002]2001年，德国L.Kipp教授在Nature期刊上发表文章，首次提出photon sieves的概念，后被译成“光子筛”，是一种衍射光学成像器件，它是用随机分布在透光环带上的小孔代替菲涅尔结构的透光环带而形成的。经过结构优化后，随机分布的小孔能有效地抑制次级和高级衍射，从而提高成像的对比度和分辨力，甚至可打破传统衍射成像理论，实现超分辨力成像。此后，光子筛被国、内外学者大量研究，可广泛地应用于纳米光刻、天文观测、航空拍摄、武器视觉等领域。
[0003]随着分辨力要求的不断提高，如:达到亚波长数量级(即:聚焦后的光斑直径小于入射光源波长)，现有的检测方法已不再适用于光子筛聚焦性能的检测。找到一种新的检测方法，对亚波长光子筛的聚焦成像性能(含光斑大小、能量分布、焦距大小等性能)进行表征，从而优化设计理论和制作工艺，为亚波长光子筛在纳米光刻系统中的实用化起推动作用，已成为业界急需解决的核心问题。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供了一种亚波长光子筛聚焦性能检测方法。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]一种亚波长光子筛聚焦性能检测方法，该检测方法采用曝光法和扫描法相结合的混合检测系统，由激光光源(2-1)、扩束准直系统(2-2)、亚波长光子筛(2-3)、已涂有光刻胶的硅片(2-4)、真空泵(2-5)、工件台(2-6)、计算机控制系统(2-7)组成；其中，工件台(2-6)由PI公司的二维工件台和压电陶瓷共同组成，二维工件台用于粗调，压电陶瓷用于精调；工件台(2-6)的运动方向及步进值由计算机控制系统(2-7)的软件进行设置，其中X方向控制焦距的步进，Y方向控制聚焦光斑的移动；
[0007]I)该混合检测系统的工作原理为:激光光源(2-1)发出的光经扩束准直系统(2-2)处理后成为均匀、准直的平行光，平行光经亚波长光子筛(2-3)聚焦后在焦面上形成细小的光斑，已涂好光刻胶的硅片(2-4)放置在焦面处，硅片(2-4)由真空泵(2-5)吸附，亚波长光子筛(2-3)与硅片(2-4)之间的相对位置由工件台(2-6)精确控制，工件台(2-6)的运动方向及步进值由计算机控制系统(2-7)的软件进行设置，曝光后的硅片(2-4)经过显影后即得到光斑，光斑直径即为亚波长光子筛的实测分辨力，其大小及能量分布通过原子力显微镜自带软件的二次开发功能进行测量和显示，当光斑取得最小值时，对应的亚波长光子筛(2-3)与硅片(2-4)之间的距离即为实测焦距；
[0008]2)检测过程如下:激光光源的波长必须等于光子筛设计时的入射光源波长，X方向选择小于设计焦距某个数值a作为起始曝光距离，S卩(X-a) μπι，Y方向的初值没有特定规则，仅代表第一个曝光光斑在硅片中的位置，完成一次曝光过程；然后Y方向步进Ay，同时将X方向增加一个步进值ΛΧ，即曝光距离变为(X-a+Λ X) μ m，完成第二个光斑的曝光过程；依次进行下去，直到曝光距离大于设计焦距某个数值a为止，S卩(X+a) μπι;用显影液对曝光后的硅片进行显影，在焦面附近，得到亚波长光子筛聚焦后的一系列直径大小不同的光斑，最小光斑对应的X即为焦距，最小光斑大小和能量分布通过原子力显微镜自带软件的二次开发功能进行测量和显示。
[0009]所述的涂有光刻胶的硅片上的光刻胶为对入射光源高敏感性的光刻胶。
[0010]所述的a的取值为设计焦距的±20%。
[0011]所述的Λ X的取值根据实际需要进行取值，在离理想焦面较远的地方，ΛΧ的取值范围为1-2 μ m,靠近理想焦面时，Δχ的取值范围为50_200nm。
[0012]所述的Λ y的建议取值范围为1000-2000 μ m,从而更好地区分两个光斑的间隔。
[0013]本发明的有益效果为:1)测量精度不受C⑶像素间距的影响，无需光学放大环节，不改变光斑在空间的实际能量分布；2)可用于亚波长光子筛聚焦性能(含光斑大小、能量分布、焦距大小等性能)的测量；3)该技术方案是曝光法和扫描法相结合的混合检测方法，真实再现了光刻过程，对亚波长光子筛在纳米光刻系统中的应用打下良好的工艺基础；4)纳米光刻系统可用于超大规模集成电路的制造。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为曝光法和扫描法相结合的混合检测系统。
[0015]图2为亚波长光子筛实物(因视场有限，只取部分图片)。
[0016]图3为亚波长光子筛聚焦光斑光强归一化分布。
【具体实施方式】
[0017]以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0018]实施例1
[0019]1、图1为曝光法和扫描法相结合的混合检测系统，由激光光源2-1、扩束准直系统2-2、亚波长光子筛2-3、已涂有光刻胶的硅片2-4、真空泵2-5、工件台2_6、计算机控制系统2-7组成。激光光源2-1发出的光经扩束准直系统2-2处理后成为均匀、准直的平行光，平行光经亚波长光子筛2-3聚焦后在焦面上形成细小的光斑，已涂好光刻胶的硅片2-4放置在焦面处，硅片2-4由真空泵2-5吸附，亚波长光子筛2-3与硅片2-4之间的相对位置由工件台2-6精确控制，工件台2-6的运动方向及步进值由计算机控制系统2-7的软件进行设置，曝光后的硅片2-4经过显影后即可得到光斑，光斑直径即为亚波长光子筛的实测分辨力，其大小及能量分布可通过原子力显微镜自带软件的二次开发功能进行测量和显示，当光斑取得最小值时，对应的亚波长光子筛2-3与硅片2-4之间的距离即为实测焦距。
[0020]其中，激光光源的波长必须等于光子筛设计时的入射光源波长；工件台2-6由PI公司的二维工件台和压电陶瓷共同组成，二维工件台用于粗调，压电陶瓷用于精调，压电陶瓷的步进精度为5nm ;工件台2-6的运动方向及步进值由计算机控制系统2_7的软件进行设置，其中X方向控制焦距的步进，Y方向控制聚焦光斑的移动。
[0021]2、亚波长光子筛聚焦性能检测方法的检测过程如下:考虑到亚波长光子筛的制作工艺误差，X方向可选择小于设计焦距某个数值a作为起始曝光距离，S卩(x-a) μπι，Y方向的初值没有特定规则，仅代表第一个曝光光斑在娃片中的位置，完成一次曝光过程。然后Y方向步进Ay (为更好地区分两个光斑的间隔，可将步进值八7取大一些)，同时将X方向增加一个步进值Λ X，即曝光距离变为(X-a+Λ X) μ m，完成第二个光斑的曝光过程。依次进行下去，直到曝光距离大于设计焦距某个数值a为止，S卩(X+a) μπι。用显影液对曝光后的硅片进行显影，在焦面附近，得到亚波长光子筛聚焦后的一系列直径大小不同的光斑，最小光斑对应的X即为焦距，最小光斑大小和能量分布即通过原子力显微镜自带软件的二次开发功能进行测量和显示。
[0022]关于a的取值，可根据实际需要进行取值，一般取设计焦距的±20%范围即可，例如设计焦距为150 μ m，取a为30 μ m,则起始曝光距离可选为120 μ m,终止曝光距离可选为180 μ m。
[0023]关于Λ X的取值，可根据实际需要进行取值，在离理想焦面较远的地方，ΛΧ的建议取值范围为(1-2) μπι;靠近理想焦面时，Δ X的建议取值范围(50-200) nm ;因为光子筛的焦深较短，如靠近焦面时把Λ X取大，就很可能错过最佳焦面。
[0024]实施例2
[0025]在本具体实施例中，测试对象亚波长光子筛如图2所示，该照片由扫描电镜S-4800在放大1100倍时获得，具体参数是:入射光源波长为457nm，焦距为150 μ m，直径250 μ m，最外环小孔直径为420nm，小孔直径和对应波带片环带宽度比值为1.46，按亚波长光子筛成像理论计算，分辨率约为288nm。
[0026]如图1所示，为本实施例采用的检测系统。其中，激光光源2-1的中心波长必须跟亚波长光子筛2-3设计时入射光源波长一致，因为亚波长光子筛2-3是衍射成像光学元件，对波长敏感，本实施例选取波长为457nm，线偏振方式，线宽小于0.1nm ;扩束准直系统2_2由透镜1、透镜2和针孔组成，主要作用是将激光光源2-1发出的光变成更加准直均匀的平行光；亚波长光子筛2-3的放置方向是垂直于检测系统主光轴；硅片2-4上所涂的光刻胶必须是对入射光源高敏感性的光刻胶，因为亚波长光子筛的衍射效率较低，造成能量的浪费，考虑到激光光源波长的特性，本实施例中采用了 SU-8型光刻胶，涂胶过程由转速可精确控制的甩胶机完成；真空泵2-5用于吸附硅片；工件台2-6由PI公司的二维工件台和压电陶瓷组成，其中二维工件台用于粗调，步进精度为lOOnm，压电陶瓷用于精调，步进精度为5nm ;计算机控制系统2-7的软件程序由VC++语言编写，具有曝光图像选择、步进方向控制、步进值设置，焦距测量、曝光图像尺寸测量等功能；
[0027]具体检测过程如下:1)调整扩束准直系统2-2，使激光光源2-1发出的光变成准直均匀的平行光；2)通过计算机控制系统2-7的软件程序对X、Y方向进行复位，其中X方向代表焦距，Y方向代表相邻两个光斑的间隔；3)考虑到亚波长光子筛在设计和制作上的误差，可能会导致实际焦距偏离设计值，故先将X方向步进到120 μπι作为起始曝光距离，Y方向的初值没有特定规则，仅代表第一个曝光光斑在娃片中的位置，本例中取4000 μ m,完成一次曝光过程；4)Y方向步进1000 μ m，同时将X方向增加一个步进值I μ m，即X方向距离变为121 μ m,完成第二个光斑的曝光过程；5)重复上述曝光过程，直到X方向距离变成140 μ m,为避免错过最佳焦距,减小X方向步进值,改为50nm, Y方向步进值不变,重复上述曝光过程；6)直到X方向距离变为160 μ m,恢复X方向的步进值I μ m,直到X方向距离变为180μπι为止；7)用显影液对曝光后的硅片进行显影，在焦面附近，得到一系列直径大小不同的光斑，光斑之间的间隔即Y方向的步进值1000 μ m，最小光斑对应的X即为焦距，本实施例测得的焦距为145.8 ym,与设计值160 μ m接近，相对误差仅为2.8% ；8)最小光斑大小和能量分布即可通过原子力显微镜自带软件的二次开发功能进行测量和显示，本实施例中测出亚波长光子筛的光斑为444.8nm。
[0028]由于亚波长光子筛属衍射光学成像元件，突破了传统衍射极限，直接用Rayleigh判据来判断亚波长光子筛的分辨力比较困难，在实际应用中常用衍射光斑主瓣的半高全宽(FWHM, Full With at Half-Maximum)来判断亚波长光子筛成像光斑的质量和分辨力，该实施例中亚波长光子筛聚焦光斑的半高全宽为302nm,如图3所示。与设计值288nm接近,相对误差仅为4.86%，该误差主要由制作工艺误差引起。
[0029]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种亚波长光子筛聚焦性能检测方法，其特征在于，该检测方法采用曝光法和扫描法相结合的混合检测系统，由激光光源(2-1)、扩束准直系统(2-2)、亚波长光子筛(2-3)、已涂有光刻胶的硅片(2-4)、真空泵(2-5)、工件台(2-6)、计算机控制系统(2-7)组成；其中，工件台(2-6)由PI公司的二维工件台和压电陶瓷共同组成，二维工件台用于粗调，压电陶瓷用于精调；工件台(2-6)的运动方向及步进值由计算机控制系统(2-7)的软件进行设置，其中X方向控制焦距的步进，Y方向控制聚焦光斑的移动； 1)该混合检测系统的工作原理为:激光光源(2-1)发出的光经扩束准直系统(2-2)处理后成为均匀、准直的平行光，平行光经亚波长光子筛(2-3)聚焦后在焦面上形成细小的光斑，已涂好光刻胶的硅片(2-4)放置在焦面处，硅片(2-4)由真空泵(2-5)吸附，亚波长光子筛(2-3)与硅片(2-4)之间的相对位置由工件台(2-6)精确控制，工件台(2-6)的运动方向及步进值由计算机控制系统(2-7)的软件进行设置，曝光后的硅片(2-4)经过显影后即得到光斑，光斑直径即为亚波长光子筛的实测分辨力，其大小及能量分布通过原子力显微镜自带软件的二次开发功能进行测量和显示，当光斑取得最小值时，对应的亚波长光子筛(2-3)与硅片(2-4)之间的距离即为实测焦距； 2)检测过程如下:激光光源的波长必须等于光子筛设计时的入射光源波长，X方向选择小于设计焦距某个数值a作为起始曝光距离，S卩(Χ-a) μ m，Y方向的初值没有特定规则，仅代表第一个曝光光斑在硅片中的位置，完成一次曝光过程；然后Y方向步进Λ y，同时将X方向增加一个步进值ΛΧ，即曝光距离变为(Χ-a+Λ X) μ m，完成第二个光斑的曝光过程；依次进行下去，直到曝光距离大于设计焦距某个数值a为止，S卩(X+a) μπι;用显影液对曝光后的硅片进行显影，在焦面附近，得到亚波长光子筛聚焦后的一系列直径大小不同的光斑，最小光斑对应的X即为焦距，最小光斑大小和能量分布通过原子力显微镜自带软件的二次开发功能进行测量和显示。
2.根据权利要求1所述的亚波长光子筛聚焦性能检测方法，其特征是，所述涂有光刻胶的硅片上的光刻胶为对入射光源高敏感性的光刻胶。
3.根据权利要求1所述的亚波长光子筛聚焦性能检测方法，其特征是，所述a的取值为设计焦距的±20%。
4.根据权利要求1所述的亚波长光子筛聚焦性能检测方法，其特征是，所述ΛX的取值根据实际需要进行取值，在离理想焦面较远的地方，Λ X的取值范围为1-2 μ m ;靠近理想焦面时，Λ X的建议取值范围为50-200nm。
5.根据权利要求1所述的亚波长光子筛聚焦性能检测方法，其特征是，所述Ay的取值范围为1000-2000 μ m，有利于更好地区分相邻两个光斑的间隔。
【文档编号】G01M11/02GK104034517SQ201410317352
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】蒋文波 申请人:西华大学