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。

To obtain a good interference fringe contrast and high fidelity, an automated beam iterative alignment is achieved in scanning beam interference lithography (SBIL). To solve the problem of alignment failure caused by a large beam angle (or position) overshoot exceeding the detector range while also speeding up the convergence, a weighted iterative algorithm using a weight parameter that is changed linearly piecewise is proposed. The changes in the beam angle and position deviation during the alignment process based on different iterative algorithms are compared by experiment and simulation. The results show that the proposed iterative algorithm can be used to suppress the beam angle (or position) overshoot, avoiding alignment failure caused by over-ranging. In addition, the convergence speed can be effectively increased. The algorithm proposed can optimize the beam alignment process in SBIL.

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。

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。

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、θ_z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,θ_z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。

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。

在扫描干涉场曝光(SBIL)系统中, 曝光光斑尺寸对干涉条纹的拼接精度、光栅制作效率及干涉场质量有着十分重要的影响。为获取合理的曝光光斑尺寸, 基于高斯光束的传输规律及扫描拼接数学模型进行了数值模拟,讨论了曝光光斑尺寸对干涉条纹的非线性误差、刻线拼接误差和曝光对比度的影响。结果表明: 小尺寸曝光光斑比大尺寸曝光光斑更有利于控制干涉条纹的非线性误差; 由于存在周期测量误差, 小尺寸曝光光斑有利于减小拼接后的刻线误差并提高曝光对比度。针对SBIL系统设计了曝光光路, 并对所设计的光路进行了优化。对干涉场左右光斑形貌及干涉条纹相位的非线性误差进行了测量, 结果表明: 曝光光斑的束腰半径约为0.9 mm, 干涉条纹相位的非线性误差峰谷值为21.8 nm。

为了提升扫描干涉场曝光光束对准精度，保证制作的光栅掩模槽形的质量，建立了曝光光束对准误差模型，利用模型对光束对准误差进行了分析。同时为了满足系统对光束重叠精度的要求，设计研制了光束自动对准系统，并对曝光光束进行了对准实验。分析结果表明，当光束存在较大对准误差时，光栅基底表面曝光对比度大幅下降，而且由于采用步进扫描的曝光方式，光刻胶表面出现了各处曝光不均匀的现象，影响光栅掩模槽形的质量。设计的对准系统可以对光束角度与位置进行对准调节，系统整体表现出良好的收敛性能，多步调节后可使光束位置对准精度优于10 μm，光束角度对准精度优于9 μrad。这样的曝光光束对准精度可以满足系统要求，达到了预期的设计目的。