用于扫描干涉场曝光的超精密微动台设计与控制 下载: 818次
1 引言
扫描干涉场曝光[1-3](SBIL)技术是一种类似于激光直写的光栅制作技术,它利用小干涉场(直径2 mm)完成曝光,克服了全息曝光中干涉条纹相位非线性问题[4]。SBIL干涉场中包含几千条干涉条纹,利用工件台的连续扫描步进运动完成对整块基底的曝光,有效地解决了激光直写和机械刻划制作效率低的问题,极大地提高了光栅的制造效率。
扫描曝光过程中,工件台定位误差会导致干涉条纹与基底产生相对位移。针对该问题,Heilman等[5]设计了条纹相位锁定系统,该系统通过激光干涉仪测量工件台的运动误差,应用声光调制器(AOM)调整干涉条纹相位,从而实时补偿工件台运动误差引起的相位误差。该设计有效地保证了扫描曝光对比度和光栅刻线相位精度,但必须将工件台位移精确转化为相位量,所以需要干涉条纹周期达到极高的测量精度[6]。
为了保证条纹周期测量与工件台位移测量基准的一致性,通常采用分光镜移动法测量干涉条纹周期,该方法需要工件台定位精度达到纳米量级[7]。为制作300 mm×300 mm的光栅,Konkola[8]采用了
粗微叠层工件台既可实现大范围平动,又能实现纳米级的定位精度,主要应用于高精密加工装备中,如光刻机等[10-12]。通常粗动台采用气浮导轨支撑,直线电机驱动;微动台采用音圈电机驱动,同样采用气浮轴承作为导轨,从而减少摩擦影响,提高响应速度[10]。Chen等[13]利用10 mm×10 mm的干涉场,通过粗微叠层工件台的步进运动,采用逐场曝光的方法制作出周期为600 nm的光栅,曝光场之间拼接误差最高达20 nm。所使用的微动台在
针对上述问题,本文提出一种条纹锁定结合粗微叠层工件台的SBIL系统设计方案。首先,介绍SBIL的工作原理;然后,根据扫描曝光的周期性特点,建立SBIL曝光模型,通过傅里叶变换的方法,分析干涉条纹周期测量误差与曝光对比度的关系;最后,针对SBIL所需的大行程运动范围以及所需的周期测量精度,分析粗微叠层工件台的微动台结构及其设计原理。为了满足扫描干涉场条纹周期精度控制需求,对微动台的运动控制开展研究并进行实验验证。
2 SBIL原理
在扫描曝光过程中,通过条纹相位锁定系统保持条纹相位与工件台位置相对静止,相位锁定精度是实现曝光对比度和光栅相位精度的关键。相位锁定原理如
3 SBIL周期测量误差与曝光对比度关系
为得到最大曝光对比度,在扫描曝光过程中,工件台的步进量必须为条纹周期
则该相对误差
SBIL利用两束高斯激光的束腰位置,在基底表面(
式中
干涉条纹光强分布可表示为:
式中干涉条纹周期
工件台以速度
对(6)式进行傅里叶变换,可以表示为:
对(7)式进行分析可以发现,
假定相邻两次扫描间的步进量为
式中*表示卷积,对(8)式进行傅里叶变换:
从(9)式可以看出,总曝光量等于周期为2π/
式中
4 微动台结构设计与控制研究
SBIL对比度直接影响光栅掩模槽形,根据上节分析结果,为得到0.95以上的曝光对比度,干涉条纹周期测量精度必须达到3.655×10-7。应用移动分光镜的方法测量干涉条纹周期时,安装在工件台上的分光镜对两束相干光进行合光,在点探测器表面上形成干涉,该点探测器也安装在工件台上。控制工件台沿着垂直于条纹的方向运动特定位移,使两相干光之间产生光程变化,从而干涉场会产生对应的相位移动。干涉条纹移动周期的个数通过计算点探测器输出的正弦信号得到,最终将工件台位移与对应的移动周期个数相除,得到干涉条纹周期。在测量过程中,要实现1×10-7量级的周期测量精度,必须采用具有纳米级定位精度的工件台[7]。
为同时实现SBIL所需的大行程运动,工件台采用粗微叠层结构的设计,工件台结构如
为了满足扫描干涉场光刻条纹锁定精度要求,同时克服转角误差引起的曝光对比度降低问题,设计了具有
对微动台的控制一般将其多输入多输出(MIMO)模型解耦成多个单输入单输出(SISO)模型,再分别设计SISO控制器其进行控制[16]。为方便控制,将
式中
微动台控制系统的误差模型为:
图 10. 微动台三自由度解耦控制框图
Fig. 10. Three degree of freedom decoupling control block diagram of fine positioning stage
由于理论模型与实际模型存在偏差,需要通过模型辨识的方法获取可用于控制的微动台模型。在闭环条件下分别对各个自由度进行模型辨识,然后针对各辨识模型特点分别进行控制器的设计。由于三个运动自由度的控制器设计过程类似,本文只对
对
为了保证微动台
采用上述方法分别得到
图 13. 闭环控制下x,y,θz自由度的定位误差
Fig. 13. Positioning errors in degrees of freedom of x,y,θz with close-loop control
表 1. x,y,θz定位误差统计
Table 1. Statistics of positioning error in x,y,θz
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5 结论
干涉条纹周期测量精度是决定SBIL性能的重要参数。根据SBIL原理,分析了周期测量精度与曝光对比度的关系。为了实现所需的条纹周期的精确测量,开展了微动台的结构设计与控制方法研究,并进行了相关控制实验。得到如下结论:1)为保证SBIL对比度达到0.95,条纹周期测量精度必须达到3.655×10-7;2)采用音圈电机驱动和平面气浮支撑的微动台结构,具有良好的动态特性与可控性,为实现纳米定位精度提供了硬件基础;3)采用陷阱滤波器和超前相位环节,有效地提高了微动台的控制性能,最终实现了
[3] Chen CG, Konkola PT, Heilmann RK, et al. Nanometer-accurate grating fabrication with scanning beam interference lithography[C]. SPIE, 2002: 126- 134.
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鲁森, 杨开明, 朱煜, 王磊杰, 张鸣, 杨进. 用于扫描干涉场曝光的超精密微动台设计与控制[J]. 光学学报, 2017, 37(10): 1012006. Sen Lu, Kaiming Yang, Yu Zhu, Leijie Wang, Ming Zhang, Jin Yang. Design and Control of Ultra-Precision Fine Positioning Stage for Scanning Beam Interference Lithography[J]. Acta Optica Sinica, 2017, 37(10): 1012006.