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 100084
扫描干涉光刻机移相锁定是实现大面积高精度全息光栅曝光拼接的关键之一。为了实现大面积高精度全息光栅高精度曝光拼接, 针对扫描干涉光刻机步进扫描拼接轨迹, 重点开展了移相锁定系统的研究。在零差移频式相位锁定分系统和外差利特罗式光栅位移测量干涉仪的基础上, 阐述了扫描干涉光刻机的新型移相锁定系统原理。针对新型的移相锁定系统原理, 构建了移相锁定控制系统实验装置。最后, 基于移相锁定控制实验装置, 针对移相锁定定位性能, 开展了移相锁定定位控制实验以及影响控制精度的因素分析, 实现了±3.27 nm (3σ, Λ=251 nm)的定位控制精度; 针对移相跟踪控制性能, 在移相跟踪控制精度实验分析的基础上, 利用陷阱滤波&PID控制实现了±4.17 nm(3σ, Λ=251 nm)的跟踪控制精度。
扫描干涉光刻 零差移频式相位锁定 外差利特罗光栅干涉仪 移相锁定控制 陷阱滤波 Scanning Beam Interference Lithography (SBIL) homodyne frequency-shifting phase locking heterodyne Littrow grating interferometer phase-shifting locking notch filter
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
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 100084
开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究，以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度，提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理，设计了测量系统，提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48 mm×48 mm×18 mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差，计算结果表明：对于1.52 mm死程的光栅干涉仪，宽松的环境波动指标 （温度波动为0.01 ℃、压力梯度为±7.5 Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6）仅引起±0.05 nm的死程误差。最后，设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统，开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明：光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41 nm。测量稳定性实验表明：常规实验室环境下，环境波动引起的死程误差为7.59 nm (3σ) @＜0.9 Hz&1~10 Hz，优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11 nm (3σ) @＜0.9 Hz&1~10 Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。
扫描干涉光刻 位移测量 光栅干涉仪 外差干涉仪 环境鲁棒性 scanning beam interference lithography displacement measurement grating interferometer heterodyne interferometer environmental robustness 光学 精密工程
2017, 25(12): 2975
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 100084
利用全息曝光法制造大口径全息平面光栅时, 常引入零差移频式干涉图形相位锁定系统来提高全息曝光质量。本文针对直接影响最终干涉曝光精度的系统控制精度开展研究。首先, 介绍了新型的零差移频式干涉图形锁定系统的原理和结构, 在系统理论建模及模型辨识的基础上, 针对非线性系统模型进行了高阶线性化拟合, 并结合系统振动测试实验结果, 设计了系统控制器。然后, 对设计的控制器进行了实际控制调试, 实现了系统的超精密控制。最后, 针对系统控制误差纹波, 采用频域分析方法揭示了影响系统控制精度的主要因素, 提出了未来提升系统控制精度的方法。测试结果显示: 系统相位锁定控制精度可达±0.046 1 rad(3σ)且以高频误差纹波形式呈现。分析了高频误差纹波的成因, 指出受系统噪声、延迟、控制器参数等因素限制, 控制器很难完全抑制频段跨度大而连续的高频微振动引起的干涉图形相位漂移。
全息曝光 零差移频式干涉图形相位锁定系统 系统辨识 高阶线性拟合 微振动 PID控制 holographic exposure homodyne frequency-shifting interference pattern p system identification high order linear fitting micro-vibration PID control
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 100084
干涉曝光系统中干涉条纹的相位漂移会导致曝光对比度降低, 为了有效抑制相位漂移, 利用声光调制器对干涉光频率进行实时调制。分析了条纹漂移的特点, 指出了主要干扰源是0~5 Hz的空气扰动。应用数值分析法得到了条纹漂移量与曝光对比度的关系曲线, 并以此为依据提出了条纹锁定精度的目标值。针对所要达到的锁定精度, 给出了系统硬件的选型方法, 搭建了基于RTX的干涉条纹相位锁定系统。利用闭环辨识的方法得到了系统的参数模型, 完成了反馈控制器的设计, 最终实现了实时锁定条纹相位的功能。实验结果表明, 在400 Hz的控制频率下, 干涉锁定系统能够有效抑制0~5 Hz的低频扰动, 干涉条纹相位漂移的3σ值可以控制在±0.04个条纹周期内, 满足干涉光刻的曝光对比度要求。
干涉曝光 相位锁定 曝光对比度 声光调制器 interference lithography phase lock exposure contrast Acousto-Optic Modulator (AOM) RTX RTX
清华大学 机械工程学院 摩擦学国家重点实验室, 北京 100084
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400 Hz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.
相位锁定 声光调制器 实时控制 频率调制 Phase lock Acoustic optical modulator Real time control PID PID Frequency modulation
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
