针对二维计量型平面光栅的设计和加工中工艺参数复杂的难点，本文基于电磁波时域有限差分方法，对硅基二维平面光栅的设计仿真进行了探索和研究，并进行了工艺实验验证。围绕平面光栅对衍射效率、衍射效率均衡性等指标的高要求，对不同结构、槽深和占空比下二维光栅偏振衍射效率受到的影响和变化规律进行了探索。仿真和实验结果表明，在占空比45.0%~46.7%附近，随着槽深增大，S偏振衍射效率逐渐减小，P偏振衍射效率逐渐增大；光栅槽深在260 nm附近时，不同偏振衍射效率可以达到平衡，带圆角的梯台结构光栅模型与实际工艺结果相近，衍射效率和偏振衍射均衡性等符合设计要求。仿真结果与实际工艺结果基本一致，表明其精度满足要求，大幅度提高了平面光栅设计和加工的效率。
光栅设计 光栅仿真 光栅制造 衍射光栅 衍射效率 光学学报
2023, 43(19): 1905001
1 清华大学 机械工程系 摩擦学国家重点实验室&精密超精密制造装备及 控制北京市重点实验室 ，北京00084
2 电子科技大学，四川成都611731
为提高扫描干涉光刻机的加工效率和加工精度、扩大加工范围、降低维护成本，提出了一种可实现干涉条纹周期、方向和相位同步实时调节控制的扫描干涉光刻机系统方案，并着重介绍了最为关键的恒光强干涉条纹相位锁定系统的设计。首先，介绍了扫描干涉光刻中干涉条纹周期、方向和相位同步实时调节控制的扫描干涉光刻机系统原理方案，并设计实现了恒光强外差声光移频式干涉条纹相位锁定控制系统。然后，分析了控制系统理论模型，对系统实际模型进行辨识和高阶线性拟合，并设计了系统控制器。最后，在该控制器的基础上开展了调试和条纹锁定控制。实验结果显示，开启条纹锁定控制后，100 Hz以下的低频扰动成分受到明显抑制，干涉图形相位锁定的残余误差为0.069 3 rad（3σ），即相位变化小于±0.01个干涉条纹周期；光束偏移调控误差达到100 μm时，干涉条纹锁定性能仍能保持稳定。该系统不仅可实现不同干涉姿态下干涉条纹的高精度锁定，还具有较大的光束调控误差裕度，满足干涉条纹周期、方向和相位同步实时控制的扫描干涉光刻机的需求。
扫描干涉光刻 条纹锁定 外差相位测量干涉仪 scanning beam interference lithography fringe locking heterodyne phase measurement interferometer
1 清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室, 北京 100084
2 清华大学精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室, 北京 100084
根据扫描干涉场曝光的特点,针对光刻胶层内曝光量的驻波效应,建立了动态曝光模型。基于快速推进法建立了显影模型,得到了光栅掩模槽形的演变规律。为减弱驻波效应的影响,提出了一种抗反射层最优厚度的设计方法。仿真结果表明,建立的曝光和显影模型能有效预测光栅掩模的槽形轮廓,同时可优化抗反射膜的厚度。
光栅 扫描干涉场曝光 曝光模型 显影模型 快速推进法 驻波效应
1 清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室, 北京 100084
2 清华大学机械工程系精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室, 北京 100084
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。
衍射 扫描干涉场曝光 干涉条纹 高斯激光 空间滤波器 菲涅耳衍射
1 清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室, 北京 100084
2 清华大学精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室, 北京 100084
3 东风商用车技术中心基础技术研究室, 湖北 武汉 430056
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±1.51 nm,y方向定位精度可达±5.46 nm,θz定位精度可达±0.02 μrad,可以满足SBIL的需求和干涉条纹周期测量的精度要求。
测量 扫描干涉场曝光 微动台 条纹周期测量精度 相位锁定 光学学报
2017, 37(10): 1012006
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Tribology, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2 Beijing Laboratory of Precision/Ultra-Precision Manufacture Equipment and Control, Tsinghua University, Beijing 100084, China
A signal processing method of realizing a large-range displacement measurement in a sinusoidal phase-modulating laser diode interferometer is proposed. The method of obtaining the dynamic value of the effective sinusoidal phase-modulating depth is detailed, and the residual amplitude modulation is also taken into account. Numerical simulations and experiments are carried out to compare this method with the traditional one. We prove that, with this method, the sinusoidal phase-modulating laser diode interferometer can realize a centimeter-level displacement measurement range with high precision, which is much better than the traditional method.
120.3180 Interferometry 070.6020 Continuous optical signal processing Chinese Optics Letters
2017, 15(10): 101201
Author Affiliations
Abstract
State Key Laboratory of Tribology, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
We present a novel homodyne frequency-shifting interference pattern locking system to enhance the exposure contrast of interference lithography and scanning beam interference lithography (SBIL). The novel interference pattern locking system employs a special homodyne redundant phase measurement interferometer (HRPMI) as the sensor and an acousto-opto modulator (AOM) as the actuator. The HRPMI offers the highly accurate value as well as the direction recognition of the interference pattern drift from four quadrature interference signals. The AOM provides a very fine resolution with a high speed for phase modulation. A compact and concise system with a short optical path can be achieved with this new scheme and a small power laser head in tens of microwatts is sufficient for exposure and phase locking, which results in a relatively low-cost system compared with the heterodyne system. More importantly, the accuracy of the system is at a high level as well as having robustness to environmental fluctuation. The experiment results show that the short-time (4 s) accuracy of the system is ±0.0481 rad(3σ) at present. Moreover, the phase of the interference pattern can also be set arbitrarily to any value with a high accuracy in a relatively large range, which indicates that the system can also be extended to the SBIL application.
000.2170 Equipment and techniques 050.1950 Diffraction gratings 120.3180 Interferometry 220.3740 Lithography Chinese Optics Letters
2016, 14(6): 061201
