用于扫描干涉场曝光的超精密微动台设计与控制

扫描干涉场曝光(SBIL)系统中曝光效果与工件台的运动性能密切相关。为了制作纳米精度的大面积平面光栅,工件台采用了粗微叠层结构设计,其中微动台是实现工件台运动精度的关键。基于SBIL原理,推导了干涉条纹周期测量精度与曝光对比度的关系。针对移动分光镜测量干涉条纹周期的方法,结合周期测量精度需求,分析了微动台定位精度指标,提出了实现微动台x、y、θz三个自由度定位精度的控制器设计方法,并在微动台系统上进行了实验验证。结果表明,微动台x方向定位精度可达±1.51nm,y方向定位精度可达±5.46nm,θz定位精度可达±0.02μrad,可以满足SBIL的需求和干涉条纹周期测量的精度要求。     

扫描干涉场曝光系统中周期设定对曝光刻线相位的影响

扫描干涉场曝光系统中的干涉条纹周期是相位锁定系统的重要参数,其设定值与名义值之间的偏差会引起相邻扫描间的干涉条纹相位拼接误差。为获取以扫描曝光方式所制作光栅的衍射波前特征,根据步进扫描曝光的特点及动态相位锁定的工作原理,建立了扫描曝光的数学模型,给出了曝光刻线误差及曝光光栅周期的变化规律,并进行了相关实验验证。结果表明,相位锁定中周期设定误差会带来周期性的刻线误差。曝光光栅周期会随周期设定值的变化而改变,当周期设定误差较小时,曝光光栅周期等于周期设定值。对于曝光光斑束腰半径为0.9mm、曝光步进间隔为0.6mm、曝光条纹周期为555.6nm的系统参数,周期设定的相对误差小于278×10-6时,周期性的刻线误差小于1nm。若要求曝光对比度大于0.9,则周期设定的相对误差需要控制在92.6×10-6以内,周期设定值及曝光光栅周期的可变范围为102.8pm。     

扫描干涉场曝光系统中干涉条纹周期测量误差对光栅掩模槽形的影响

扫描干涉场曝光系统中干涉条纹周期的测量误差是影响曝光过程中相位拼接的主要因素。为制作符合离子束刻蚀要求的高质量光栅掩模,建立了条纹周期测量误差与扫描曝光对比度关系的数学模型,利用光刻胶在显影过程中的非线性特性,建立了扫描干涉场曝光光栅的显影模型,给出了光栅掩模槽形随周期测量误差的变化规律,并进行了实验验证。结果表明:周期测量误差不仅会使掩模槽形变差,还会引起槽形在空间上的变化。在周期测量的相对误差一定时,相位拼接误差与相邻扫描间的步进间隔成正比,与干涉条纹周期成反比。在显影条件一定、曝光光束束腰半径1mm、曝光步进间隔0.8mm、曝光线密度1800gr/mm时,周期测量误差控制在139ppm以内,理论上可以制作槽底洁净无残胶、槽形均匀的光栅掩模。     

全息光栅干涉条纹三维锁定系统的设计

全息曝光系统中干涉条纹的稳定性直接影响光栅掩模质量。研究了参考干涉条纹的特性,提出一种光栅相位、倾斜度和周期的检测方法。为提高光栅曝光系统的稳定性,设计了一套全息光栅干涉条纹三维锁定系统。利用摄像机对参考干涉条纹进行检测,利用微电机和压电陶瓷对光路进行微调,可实现对光栅相位、倾斜度和周期的有效控制。实验结果表明,三维锁定系统可有效提高干涉条纹的稳定性,缩短光栅曝光前的静台稳定时间,提高光栅曝光对比度,可为大口径全息光栅曝光质量的提高提供技术支持。     

压电晶体位移特性曲线干涉自动测量方法

本文提出了压电晶体(PZT)位移物曲线自动干涉测量方法,该方法利用干涉仪把PZT的微位移量转化成干涉条纹相位变化量,通过快速傅里叶变换(FFT)方法自动复原干涉条纹中包含的相位的变化量,从而高精度地检测出PZT的位移特性曲线.根据该方法,利用CCD摄象机、图象板和干涉仪组合成一套光、机、电一体化的微位移自动测试系统,实际测量了我们研制的PZT随电压变化的位移特性曲线.实验表明,该方法原理实现简单,且能实现高精度、自动、实时和动态测量.     

非平行光干涉照明显微镜三维形貌检测研究

为实现表面微观形貌快速而较简单的检测, 一种使用非平行光干涉照明的光学显微三维形貌检测方法被提出。该方法使用空间光调制器对激光光束进行衍射, 选取光强相近的2个衍射级通过显微物镜, 双光束干涉可得到周期接近图像分辨率、相位可精确调节的照明条纹, 被测样本的三维形貌可通过拍摄4帧等相位差的条纹照明图像来计算得到。该方法不需借助干涉物镜产生条纹, 不需要轴向扫描装置记录条纹变化, 相位调节精确, 成像直观。此外, 该方法所产生干涉条纹的相位随坐标线性变化, 不需对条纹周期进行修正。因为照明条纹参数调节光路独立于显微成像光路, 系统装置具有光路简洁、易于调节的优点。为验证所提出三维检测精度, 以粗糙度100 nm的粗糙度对比模块和硅片为被测样品进行了三维轮廓重建实验, 实验结果显示, 所提出方法轴向重复性测量精度为8.6 nm(2σ)。     

干涉条纹相位锁定系统分析及其控制

干涉条纹的相位变化与干涉条纹中某一固定点的光强密切相关,基于这一原理,通过对干涉场光强分析,提出并设计了一种用于干涉条纹相位锁定的控制系统.光电探测器检测干涉条纹中固定目标点的光强,并以该光强电压作为反馈控制信号,利用声光调制器对干涉系统中两束高斯光束中的一束进行实时频率调制,将光强电压控制在一个固定值,实现干涉条纹的相位锁定.构建了条纹锁定控制系统控制对象的理论模型,通过实验进行了验证,并基于该模型的特点设计了条纹锁定控制器.实验结果表明:在400Hz的控制频率下,干涉条纹相位漂移不超过±0.04个条纹周期,满足干涉光刻的曝光需求.     

基于远场干涉的扫描干涉场曝光光学系统设计与分析

高斯光在远离束腰位置能得到直线度极高的干涉条纹,基于此提出了一种基于远场干涉的新型扫描干涉场曝光(SBIL)系统。建立了条纹相位非线性误差关于高斯光束腰半径、入射角度及束腰到基底距离的解析表达式。通过数值仿真,详细分析了条纹相位非线性误差与上述参数的关系。研究结果表明,该光学系统可以有效地将条纹相位非线性误差限制在纳米量级,并具有光路简洁、装调误差宽容度较高的优点。适当缩短束腰到基底的距离,可有效解决曝光光斑边界处条纹相位非线性误差恶化的问题。     

基于快速搜索粒子群算法的点衍射干涉绝对位移测量方法

为了解决目前点衍射绝对位移测量系统中位移重构算法存在的收敛率低问题,并针对实际测量中时效性和高精度要求,提出了基于快速搜索粒子群算法的点衍射干涉绝对位移测量方法。点衍射干涉绝对位移测量系统根据点衍射干涉场相位差的分布重构出点衍射探头的三维绝对位移。所提出的快速搜索粒子群算法针对测量中大量像素点数据的高效处理需要,在三维绝对位移迭代重构过程中采取非线性增加样本点数量的搜索方法,进而在保证测量精度的同时极大提高了测量效率。分别进行了仿真分析、测量实验以及三坐标机测量比对以检验所提出测量方法的可行性与稳定性。结果表明,该方法可实现三维绝对位移的快速检测,其收敛率可达90%,且在200 mm×200 mm×300 mm的测量区域中达到优于微米量级测量精度。所提出的三维绝对位移测量方法具有较高的测量效率和精度,且具备高抗噪能力和可靠性,对其在微加工技术和高精度测量中的应用具有重要意义。     

基于干涉条纹跟踪实现纳米级位移测量的方法研究

设计了一套干涉条纹图像实时采集处理系统。在分析迈克尔逊干涉条纹特征表象的基础上 ,给出了通过跟踪干涉条纹的移动量测量被测对象纳米级位移量的理论公式 ;提出了干涉条纹特征点的提取与跟踪算法 :分段线性变换、方形窗口中值滤波和门限化边缘提取 ,给出了基于统计学原理的通过计算多条干涉条纹移动量获得被测对象纳米级位移量的计算公式。实验结果表明了该方法的有效性和实用性     

基于多光束干涉的长程轮廓仪

为提高长程轮廓仪(LTP)面型检测的精度,提出一种使用波面型等光程多光束分束器的LTP。该分束结构可将入射光束分成若干束等光强等光程的相干光。在理论上分析计算了傅里叶变换(FT)透镜焦平面上干涉条纹的位置和强度分布,探究了零级干涉主极大条纹宽度、振幅和±1级干涉主极大条纹振幅与多光束分束器各结构参数之间的关系。通过选取合适的参数设计了基于多光束干涉原理的新型分束器,并与传统分束器进行了仿真实验比较,设计了测量系统中的准直镜和FT透镜,在Zemax软件中建立了完整的光学系统模型,并对该模型进行了实验验证。结果表明多光束干涉长程轮廓仪可以实现对被测表面斜率的测量,其在探测面上的干涉条纹宽度比传统双光束干涉窄,光强也更加集中,可以提高LTP的测量精度。     

基于偏振光的干涉测长法

在干涉法测量微小位移实验中,通常数条纹的读数方式使得位移分辨率不可能小于波长的一半,本文提出了通过测量干涉相位达到连续测量位移的方法.首先测量方向相互垂直的线偏振光(p光和s光)通过干涉仪后的光强,然后利用仿射变换将测量结果映射到单位圆上.映射点的辐角与干涉相差只相差一个常量.通过记录辐角的变化可以对位移进行连续测量.通过干涉仪的冲击响应测量与金属线胀系数测量验证了此方法.     

基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法

针对光学薄膜厚度测量困难问题，提出了一种基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法。采用经典迈克尔逊干涉光路，利用外差干涉原理将薄膜厚度差转换为光程差，以精密位移平台为扫描机构实现薄膜厚度的逐行扫描测量。测量系统在恒温实验条件下20 min内的漂移不超过8 nm，测量结果平均差小于1 nm，通过与椭圆偏振仪的测量结果比较，测量差值为12.97 nm，表明了该方法的可行性。     

电子散斑干涉载频调制形貌测量方法的分析

根据电子散斑干涉载频调制测量物体形貌的基本原理,物体表面的微小偏转可引入包含物体高度信息的载波干涉条纹。将物体的偏转视为变形,对物体变形与载波干涉条纹之间的关系进行了讨论,得出了离面位移引入载波和面内位移引入含有物体高度信息相位的结论。发现利用典型电子散斑干涉系统测量物体形貌效果最好,并通过实验得到了验证。     

一种利用散斑干涉和灰度等级测量纳米级位移的新方法

为了解决散斑干涉计量中亚波长位移测量的困难，相移技术被广泛使用，但相移技术有其固有缺点，应用非常麻烦。这里提出一种不同于已往相移技术的全新微小位移测量方法。即把灰度等级法和散斑干涉计量相结合以实现对亚波长位移或变形的测量。克服了散斑干涉计量中变形或位移小于半个波长不产生完整条纹时计量困难的缺点,论述了其测量原理并进行了实验。实验结果很好地证明了上述方法的可行性。为精密散斑干涉计量提供了一种更简单有效的方法。     

基于干涉条纹图像对比法测量微位移

研究了基于迈克尔逊干涉条纹对比法测量微位移的实验。用He-Ne激光器、反射镜和分束镜组成的干涉光路,其中一个反射镜固定在被测物体上,通过被测物体的移动带动反射镜移动使干涉光路发生变化,从而导致干涉条纹的改变。在形成干涉条纹的位置利用线阵CCD采集干涉条纹图像,用序列图像对比的方法对图像进行处理和计算,得出被测物体的微位移。实验表明利用序列图像对比的方法测量微位移,方法切实可行、测量准确度高、测量的精度能够达到微米量级。     

垂直扫描白光干涉术用于微机电系统的尺寸表征

随着微机电系统的发展,器件设计和加工过程中的表征成为一个主要问题。提出了将扫描白光干涉表面轮廓测量方法用于微结构和器件的几何特性检测上。测量系统采用了米劳显微干涉仪,利用压电陶瓷物镜纳米定位器实现垂直方向100μm范围内的精确扫描,并通过傅里叶变换算法获取条纹包络峰的位置,进而得到器件的整体集合尺寸信息,与相移干涉方法相比大大提高了测量范围。通过测量纳米台阶对该系统进行了精度标定,测量重复性在亚纳米量级。最后通过测量微谐振器和微压力传感器的几何尺寸说明了该方法的功能。     

基于迈克耳孙干涉光程差放大法的微小位移测量

基于迈克耳孙干涉光路,介绍了一种新的测量微小位移的实验方法.通过在迈克耳孙干涉原光路中添加平行平面镜组,使入射光和反射光在反射镜组中多次反射.当平行平面镜之间的距离发生微小变化后,两反射光束之间光程差将会被放大,通过观测干涉条纹的变化可以计算出微小的位移.设计了实验光路,对该方法进行了实验验证.与传统的迈克耳孙干涉实验相比,该方法的测量精度有很大的提高.     

共轭涡旋光干涉精密位移测量方法与系统

为实现高精度大量程精密位移测量，提出了一种基于涡旋光共轭干涉的精密位移测量方法。通过建立位移过程中涡旋光共轭干涉图样的旋转角弧度与位移之间的数学关系，实现了对旋转角弧度的精确提取，得到了高精度的精密位移测量结果。基于该原理对测量方案进行了光学系统设计与仿真，研制了实验系统并进行了实验测试。当标准位移为20 nm时，实验测量结果的误差为25 pm，相对误差为0.13%，证明了所提亚纳米级精密位移测量方案的有效性。所提系统还可通过计量干涉图样旋转圈数进行大测量范围的精密位移测量。实验结果表明，所提方案可在30μm范围内实现精密位移测量。     

一种基于F-P标准具的金属线膨胀系数测量方法

本论文提出一种基于F-P标准具的金属线膨胀系数测量方法.该方法利用光杠杆将金属棒受热膨胀时的伸长量转化为F-P标准具干涉光场中干涉条纹半径的变化,通过测量干涉条纹的间距便可实现对金属线膨胀系数的测量.由于该方法仅需测量F-P标准具干涉光场中外侧条纹的间距,并且F-P标准具的多光束等倾干涉可以产生锐利的干涉条纹,因此测量过程更加简便,实验结果的精确度更高.通过实验测量验证了该方法的可行性与可靠性.