CN107045266B - 用于大面积激光直写系统的多次迭代调平方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于大面积激光直写系统的多次迭代调平方法，包括步骤：S1：获取待激光直写区域的三维数据，根据获取的三维数据进行平面拟合；S2：将S1拟合的平面与理想平面比较，通过容错拟合算法进行计算，指导执行器调平；S3：根据调平结果再次进行平面拟合，如果没达到设计精度要求则重复迭代，直至达到精度要求；S4：使执行器执行到最后一次迭代过程计算出的目标位置，进行激光直写。本发明提出的用于大面积激光直写系统的调平方法，可使得系统在金属薄膜、无机相变材料、光刻胶或复合薄膜等多种材料上的调平精度均达到100nm以内，有效保证了激光直写系统刻写激光的精确聚焦，从而大幅度提高样品大面积刻写的刻写质量和成品率。
Description
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种用于大面积激光直写系统的调平方法。
背景技术
目前，随着光电子器件、半导体器件以及微电子机械器件的小批量、定制化需求不断增多，高分辨率、高生产效率、低环境要求的直写式微纳加工设备越来越受到人们关注。目前主流的直写微纳加工方法有三种：电子束光刻、聚焦离子束光刻、激光束光刻。由于前两者都需要极为昂贵的成本、严苛的真空环境，且综合生产效率较低，不适合大面积、小批量定制化的器件制备。因此目前应用最为广泛的还是激光束直写光刻。
大面积激光直写系统中普遍采用的技术方案是利用振镜或多面旋转棱镜带动光束进行光栅扫描步进式移动，先实现单帧或小范围刻写，进而在此基础上借助直线电机实现大面积拼接。通过对高斯光束的光强分布模拟可知，刻写激光的焦深范围往往只有数百纳米(以405nm波长光源、NA＝0.9刻写物镜为例，其焦深约为306nm)，但超过90％以上的激光能量，聚集于该范围内，超出焦深范围，激光能量即急剧降低。所以，刻写过程中样品是否精准调平，将极大地影响刻写激光的聚焦准确性和响应灵敏性，进而极大地影响激光直写系统的刻写质量。
在实际测试中发现，如果样品精准调平，激光直写系统的大面积刻写均匀性可以达到98％以上；如果调平精度降低300nm，大面积刻写的均匀性将急剧下降到90％以下。与投影曝光式光刻系统不同，激光直写系统的样品往往不是均匀旋涂光刻胶的标准化晶圆，而是各种形态的金属薄膜、无机相变材料、光刻胶或复合薄膜，其表面结构复杂多样，精准聚焦和调平的难度极高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足之处，提供一种用于大面积激光直写系统的多次迭代调平方法，使激光直写系统在大面积高速刻写时，样品表面始终保持在焦深范围内。
实现本发明上述目的的技术方案为：
一种用于大面积激光直写系统的多次迭代调平方法，包括步骤：
S1：获取待激光直写区域的三维数据，根据获取的三维数据进行平面拟合；
S2：将S1拟合的平面与理想平面比较，通过容错拟合算法进行计算，指导执行器调平；
S3：根据调平结果再次进行平面拟合，与理想平面比较，如果没达到设计精度则重复迭代上述过程，直至达到精度要求；
S4：使执行器执行到最后一次迭代过程计算出的目标位置，开始进行激光直写。
通过上述自主设计的容错拟合算法进行计算，指导调平并多次迭代上述过程，最终可以激光直写系统在大面积高速刻写时，样品表面始终保持在焦深范围内，从而大幅度提高了激光直写系统在多种材料上的刻写质量和成品率。
其中，步骤S1中，使用激光干涉仪，和四象限探测器或气流位移传感器获取三维数据(激光干涉仪和四象限探测器组合，或激光干涉仪和气流位移传感器组合)，采集点的间距为0.2～2mm。
进一步地，用波长600～700nm的聚焦激光进行数据采集。
优选地，步骤S1中，获取的三维数据经过阈值过滤法，去除尖峰噪声；再使用高斯滤波对三维数组进行线性平滑，然后进行平面拟合；过滤的阈值为0.1～1μm之间。
阈值过滤法去除尖峰噪声，是根据样品表面高度分布趋势设置上下阈值，若采集的高度信息与预测高度的差值超出阈值范围，则去除该采集值，使用预测高度代替，该处理可以避免因样品表面灰尘、样品表面不均匀或其他意外情况对全局算法的影响。
本发明优选技术方案之一为，步骤S1中，数据采集点呈方阵排列，根据获取的三维数据进行平面拟合的公式为
z＝a0x+a1y+a2 (2)
式中n为数据采集点的数量，n为4～400，x、y为数据采集点在笛卡尔坐标系下的二维坐标，z为传感器采集到的相应点的高度值。
本发明另一优选技术方案为，步骤S1中，数据采集点呈环形排列，根据获取的三维数据进行平面拟合的公式为
z＝a0r+a1θ+a2 (4)
式中n为数据采集点的数量，n为4～400，r、θ为数据采集点在极坐标系下的二维坐标，z为传感器采集到的相应点的高度值。
其中，步骤S3中，精度范围在1～100nm之间。
其中，进行激光直写的执行器为高精度压电陶瓷或精密螺纹电动螺母，执行器的行程范围为0.1～100mm之间，重复精度在1～100nm之间。
其中，进行激光直写的区域面积为4～10000mm2，进行激光直写的激光波长为380～450nm。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的用于大面积激光直写系统的调平方法，可使得系统在金属薄膜、无机相变材料、光刻胶或复合薄膜等多种材料上的调平精度均达到100nm以内，有效保证了激光直写系统刻写激光的精确聚焦，从而大幅度提高样品大面积刻写的刻写质量和成品率。
本发明提供的可用于大面积超分辨激光直写系统的样品调平方法，预先采集样品表面高度信息，通过自主设计的容错拟合算法进行计算，指导调平并多次迭代上述过程，最终可以激光直写系统在大面积高速刻写时，样品表面始终保持在焦深范围内，从而大幅度提高了激光直写系统在多种材料上的刻写质量和成品率。
附图说明
图1为样品表面高度信息采集点的圆环分布及方阵分布示意图；
图2为样品表面初始高度模拟图；
图3为样品理想调平的高度模拟图；
图4为使用本发明的刻写效果展示；
图5为未使用和使用本发明迭代调平的刻写效果对比照片。
具体实施方式
以下通过具体实施例来举例说明用于大面积激光直写系统的调平方法及其性能。
下面实施例中的材料为根据现有方法直接制备而得，或直接从市场上购得。
实施例1：
步骤一，放入激光直写的样品，预先选定调平区域为5×5mm2，选定呈方阵分布的10×10个采样点。数据采集点呈方阵排列，如图1a所示，图中省略号表示未示出的数据采集点。本实施例的激光直写样品为玻璃基底上的20nm厚度Sn薄膜。
步骤二，使用精密气浮平台，带动样品运动至各个采样点，在各个采样点位置，用激光干涉仪和四象限光电探测器用波长640nm的聚焦激光进行数据采集，采集点的间距为1mm。用探测器采集各点的高度信息z并记录到三维数组中。所述精密气浮平台，全行程为100x 100mm2，重复精度小于100nm。
阈值过滤法的上下阈值，是根据样品高度分布趋势，动态生成的。根据动态生成的样品高度分布趋势取阈值0.5μm，用阈值过滤法去除高度信息图中的尖峰噪声，并对高度信息图进行高斯滤波。
步骤三，采用公式(1)、(2)中的算法，用经过过滤和滤波后的三维数据，拟合出样品表面高度图。结果如图2，并与理想平面高度图(图3)运算，输出执行器动作目标值(N1,N2,N3)。执行器为三只Newport NSC200高精度电动螺母，其行程范围为12mm，重复精度50nm。
步骤四，重复步骤二、三，输出下一次执行器动作目标值(N4,N5,N6)并继续迭代，直到样品表面高度图与理想平面高度图的差值在100nm以内，调平过程结束，开始刻写过程。本实施例经过两次重复即达到100nm以内的差值。
设置直写图形为幼树，刻写结果见图4a。从图4刻写样品图像a、可看出，根据本发明所提出的多次迭代调平算法，可在刻写样品有较多杂质的情况下，仍然保持极高的刻写均匀性，且在光学反射率相差较大的材料上，均取得极高的调平精度。
实施例2：
步骤一，放入激光直写的样品，预先选定调平区域为直径5mm的圆形，选定呈环形分布的数据采集点如图1b所示，图中省略号表示未示出的数据采集点。本实施例的激光直写样品为玻璃基底上的40nm厚度GST薄膜。
步骤三，采用公式(3)、(4)中的算法，用经过过滤和滤波后的三维数据，拟合出样品表面高度图。并与理想平面高度图运算，输出执行器动作目标值(N1,N2,N3)。执行器为三只Newport NSC200高精度电动螺母，其行程范围为12mm，重复精度50nm。
其他操作同实施例1。
设置直写图形为树枝，刻写结果见图4b。
从图4刻写样品图像a、b可看出，根据本发明所提出的多次迭代调平算法，可在刻写样品有较多杂质的情况下，仍然保持极高的刻写均匀性，且在光学反射率相差较大的材料上，均取得极高的调平精度，由此，采用本发明，可使激光直写系统进行器件制备、材料研究的均匀性和成功率得到显著提升。
对比例：
图5使用的样品，为玻璃基底上的40nm厚度Sn薄膜。图中直角标尺的数值均为40μm。
图5之a为未使用本发明调平的刻写效果，左下角有明显的刻写不均匀现象；图5之b使用了本发明调平后的刻写效果，则表现出良好的均匀性。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于大面积激光直写系统的多次迭代调平方法，其特征在于，包括步骤：
S1：获取待激光直写区域的三维数据，根据获取的三维数据进行平面拟合；
数据采集点呈方阵排列，根据获取的三维数据进行平面拟合的公式为
z＝a0x+a1y+a2 (2)
式中n为数据采集点的数量，n为4～400，x、y为数据采集点在笛卡尔坐标系下的二维坐标，z为传感器采集到的相应点的高度值；
或，数据采集点呈环形排列，根据获取的三维数据进行平面拟合的公式为
z＝a0r+a1θ+a2 (4)
式中n为数据采集点的数量，n为4～400，r、θ为数据采集点在极坐标系下的二维坐标，z为传感器采集到的相应点的高度值；
S2：将S1拟合的平面与理想平面比较，通过容错拟合算法进行计算，指导执行器调平；
S3：根据调平结果再次进行平面拟合，与理想平面比较，如果没达到设计精度则重复上述步骤S1、步骤S2和根据调平结果再次进行平面拟合、与理想平面比较的过程，直至达到精度要求；
S4：使执行器执行到最后一次迭代过程计算出的目标位置，开始进行激光直写。
2.根据权利要求1所述的用于大面积激光直写系统的多次迭代调平方法，其特征在于，步骤S1中，使用激光干涉仪，和四象限探测器或气流位移传感器获取三维数据，其中四象限探测器用波长600～700nm的聚焦激光进行数据采集，采集点的间距为0.2～2mm。
3.根据权利要求1所述的用于大面积激光直写系统的多次迭代调平方法，其特征在于，用波长600～700nm的聚焦激光进行数据采集。
4.根据权利要求1所述的用于大面积激光直写系统的多次迭代调平方法，其特征在于，步骤S1中，获取的三维数据经过阈值过滤法，去除尖峰噪声；再使用高斯滤波对三维数组进行线性平滑，然后进行平面拟合；过滤的阈值为0.1～1μm之间。
5.根据权利要求1～4任一项所述的用于大面积激光直写系统的多次迭代调平方法，其特征在于，步骤S3中，精度范围在1～100nm之间。
6.根据权利要求1～4任一项所述的用于大面积激光直写系统的多次迭代调平方法，其特征在于，进行激光直写的执行器为高精度压电陶瓷或精密螺纹电动螺母，执行器的行程范围为0.1～100mm之间，重复精度在1～100nm之间。
7.根据权利要求1～4任一项所述的用于大面积激光直写系统的多次迭代调平方法，其特征在于，进行激光直写的区域面积为4～10000mm2，进行激光直写的激光波长为380～450nm。
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