本發(fā)明屬于微納加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于大面積激光直寫系統(tǒng)的調(diào)平方法。

背景技術(shù)：

目前，隨著光電子器件、半導(dǎo)體器件以及微電子機(jī)械器件的小批量、定制化需求不斷增多，高分辨率、高生產(chǎn)效率、低環(huán)境要求的直寫式微納加工設(shè)備越來越受到人們關(guān)注。目前主流的直寫微納加工方法有三種：電子束光刻、聚焦離子束光刻、激光束光刻。由于前兩者都需要極為昂貴的成本、嚴(yán)苛的真空環(huán)境，且綜合生產(chǎn)效率較低，不適合大面積、小批量定制化的器件制備。因此目前應(yīng)用最為廣泛的還是激光束直寫光刻。

大面積激光直寫系統(tǒng)中普遍采用的技術(shù)方案是利用振鏡或多面旋轉(zhuǎn)棱鏡帶動光束進(jìn)行光柵掃描步進(jìn)式移動，先實(shí)現(xiàn)單幀或小范圍刻寫，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上借助直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)大面積拼接。通過對高斯光束的光強(qiáng)分布模擬可知，刻寫激光的焦深范圍往往只有數(shù)百納米(以405nm波長光源、na＝0.9刻寫物鏡為例，其焦深約為306nm)，但超過90％以上的激光能量，聚集于該范圍內(nèi)，超出焦深范圍，激光能量即急劇降低。所以，刻寫過程中樣品是否精準(zhǔn)調(diào)平，將極大地影響刻寫激光的聚焦準(zhǔn)確性和響應(yīng)靈敏性，進(jìn)而極大地影響激光直寫系統(tǒng)的刻寫質(zhì)量。

在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，如果樣品精準(zhǔn)調(diào)平，激光直寫系統(tǒng)的大面積刻寫均勻性可以達(dá)到98％以上；如果調(diào)平精度降低300nm，大面積刻寫的均勻性將急劇下降到90％以下。與投影曝光式光刻系統(tǒng)不同，激光直寫系統(tǒng)的樣品往往不是均勻旋涂光刻膠的標(biāo)準(zhǔn)化晶圓，而是各種形態(tài)的金屬薄膜、無機(jī)相變材料、光刻膠或復(fù)合薄膜，其表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，精準(zhǔn)聚焦和調(diào)平的難度極高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種用于大面積激光直寫系統(tǒng)的多次迭代調(diào)平方法，使激光直寫系統(tǒng)在大面積高速刻寫時，樣品表面始終保持在焦深范圍內(nèi)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的的技術(shù)方案為：

一種用于大面積激光直寫系統(tǒng)的多次迭代調(diào)平方法，包括步驟：

s1：獲取待激光直寫區(qū)域的三維數(shù)據(jù)，根據(jù)獲取的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合；

s2：將s1擬合的平面與理想平面比較，通過容錯擬合算法進(jìn)行計(jì)算，指導(dǎo)執(zhí)行器調(diào)平；

s3：根據(jù)調(diào)平結(jié)果再次進(jìn)行平面擬合，與理想平面比較，如果沒達(dá)到設(shè)計(jì)精度則重復(fù)迭代上述過程，直至達(dá)到精度要求；

s4：使執(zhí)行器執(zhí)行到最后一次迭代過程計(jì)算出的目標(biāo)位置，開始進(jìn)行激光直寫。

通過上述自主設(shè)計(jì)的容錯擬合算法進(jìn)行計(jì)算，指導(dǎo)調(diào)平并多次迭代上述過程，最終可以激光直寫系統(tǒng)在大面積高速刻寫時，樣品表面始終保持在焦深范圍內(nèi)，從而大幅度提高了激光直寫系統(tǒng)在多種材料上的刻寫質(zhì)量和成品率。

其中，步驟s1中，使用激光干涉儀，和四象限探測器或氣流位移傳感器獲取三維數(shù)據(jù)(激光干涉儀和四象限探測器組合，或激光干涉儀和氣流位移傳感器組合)，采集點(diǎn)的間距為0.2～2mm。

進(jìn)一步地，用波長600～700nm的聚焦激光進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

優(yōu)選地，步驟s1中，獲取的三維數(shù)據(jù)經(jīng)過閾值過濾法，去除尖峰噪聲；再使用高斯濾波對三維數(shù)組進(jìn)行線性平滑，然后進(jìn)行平面擬合；過濾的閾值為0.1～1μm之間。

閾值過濾法去除尖峰噪聲，是根據(jù)樣品表面高度分布趨勢設(shè)置上下閾值，若采集的高度信息與預(yù)測高度的差值超出閾值范圍，則去除該采集值，使用預(yù)測高度代替，該處理可以避免因樣品表面灰塵、樣品表面不均勻或其他意外情況對全局算法的影響。

本發(fā)明優(yōu)選技術(shù)方案之一為，步驟s1中，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)呈方陣排列，根據(jù)獲取的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合的公式為

z＝a0x+a1y+a2(2)

式中n為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)量，n為4～400，x、y為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)在笛卡爾坐標(biāo)系下的二維坐標(biāo)，z為傳感器采集到的相應(yīng)點(diǎn)的高度值。

本發(fā)明另一優(yōu)選技術(shù)方案為，步驟s1中，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)呈環(huán)形排列，根據(jù)獲取的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合的公式為

z＝a0r+a1θ+a2(4)

式中n為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)量，n為4～400，r、θ為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)在極坐標(biāo)系下的二維坐標(biāo)，z為傳感器采集到的相應(yīng)點(diǎn)的高度值。

其中，步驟s3中，精度范圍在1～100nm之間。

其中，進(jìn)行激光直寫的執(zhí)行器為高精度壓電陶瓷或精密螺紋電動螺母，執(zhí)行器的行程范圍為0.1～100mm之間，重復(fù)精度在1～100nm之間。

其中，進(jìn)行激光直寫的區(qū)域面積為4～10000mm²，進(jìn)行激光直寫的激光波長為380～450nm。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提出的用于大面積激光直寫系統(tǒng)的調(diào)平方法，可使得系統(tǒng)在金屬薄膜、無機(jī)相變材料、光刻膠或復(fù)合薄膜等多種材料上的調(diào)平精度均達(dá)到100nm以內(nèi)，有效保證了激光直寫系統(tǒng)刻寫激光的精確聚焦，從而大幅度提高樣品大面積刻寫的刻寫質(zhì)量和成品率。

本發(fā)明提供的可用于大面積超分辨激光直寫系統(tǒng)的樣品調(diào)平方法，預(yù)先采集樣品表面高度信息，通過自主設(shè)計(jì)的容錯擬合算法進(jìn)行計(jì)算，指導(dǎo)調(diào)平并多次迭代上述過程，最終可以激光直寫系統(tǒng)在大面積高速刻寫時，樣品表面始終保持在焦深范圍內(nèi)，從而大幅度提高了激光直寫系統(tǒng)在多種材料上的刻寫質(zhì)量和成品率。

附圖說明

圖1為樣品表面高度信息采集點(diǎn)的圓環(huán)分布及方陣分布示意圖；

圖2為樣品表面初始高度模擬圖；

圖3為樣品理想調(diào)平的高度模擬圖；

圖4為使用本發(fā)明的刻寫效果展示；

圖5為未使用和使用本發(fā)明迭代調(diào)平的刻寫效果對比照片。

具體實(shí)施方式

以下通過具體實(shí)施例來舉例說明用于大面積激光直寫系統(tǒng)的調(diào)平方法及其性能。

下面實(shí)施例中的材料為根據(jù)現(xiàn)有方法直接制備而得，或直接從市場上購得。

實(shí)施例1：

步驟一，放入激光直寫的樣品，預(yù)先選定調(diào)平區(qū)域?yàn)?×5mm²，選定呈方陣分布的10×10個采樣點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)呈方陣排列，如圖1a所示，圖中省略號表示未示出的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。本實(shí)施例的激光直寫樣品為玻璃基底上的20nm厚度sn薄膜。

步驟二，使用精密氣浮平臺，帶動樣品運(yùn)動至各個采樣點(diǎn)，在各個采樣點(diǎn)位置，用激光干涉儀和四象限光電探測器用波長640nm的聚焦激光進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集點(diǎn)的間距為1mm。用探測器采集各點(diǎn)的高度信息z并記錄到三維數(shù)組中。所述精密氣浮平臺，全行程為100x100mm²，重復(fù)精度小于100nm。

閾值過濾法的上下閾值，是根據(jù)樣品高度分布趨勢，動態(tài)生成的。根據(jù)動態(tài)生成的樣品高度分布趨勢取閾值0.5μm，用閾值過濾法去除高度信息圖中的尖峰噪聲，并對高度信息圖進(jìn)行高斯濾波。

步驟三，采用公式(1)、(2)中的算法，用經(jīng)過過濾和濾波后的三維數(shù)據(jù)，擬合出樣品表面高度圖。結(jié)果如圖2，并與理想平面高度圖(圖3)運(yùn)算，輸出執(zhí)行器動作目標(biāo)值(n1,n2,n3)。執(zhí)行器為三只newportnsc200高精度電動螺母，其行程范圍為12mm，重復(fù)精度50nm。

步驟四，重復(fù)步驟二、三，輸出下一次執(zhí)行器動作目標(biāo)值(n4,n5,n6)并繼續(xù)迭代，直到樣品表面高度圖與理想平面高度圖的差值在100nm以內(nèi)，調(diào)平過程結(jié)束，開始刻寫過程。本實(shí)施例經(jīng)過兩次重復(fù)即達(dá)到100nm以內(nèi)的差值。

設(shè)置直寫圖形為幼樹，刻寫結(jié)果見圖4a。從圖4刻寫樣品圖像a、可看出，根據(jù)本發(fā)明所提出的多次迭代調(diào)平算法，可在刻寫樣品有較多雜質(zhì)的情況下，仍然保持極高的刻寫均勻性，且在光學(xué)反射率相差較大的材料上，均取得極高的調(diào)平精度。

實(shí)施例2：

步驟一，放入激光直寫的樣品，預(yù)先選定調(diào)平區(qū)域?yàn)橹睆?mm的圓形，選定呈環(huán)形分布的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)如圖1b所示，圖中省略號表示未示出的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。本實(shí)施例的激光直寫樣品為玻璃基底上的40nm厚度gst薄膜。

步驟三，采用公式(3)、(4)中的算法，用經(jīng)過過濾和濾波后的三維數(shù)據(jù)，擬合出樣品表面高度圖。并與理想平面高度圖運(yùn)算，輸出執(zhí)行器動作目標(biāo)值(n1,n2,n3)。執(zhí)行器為三只newportnsc200高精度電動螺母，其行程范圍為12mm，重復(fù)精度50nm。

其他操作同實(shí)施例1。

設(shè)置直寫圖形為樹枝，刻寫結(jié)果見圖4b。

從圖4刻寫樣品圖像a、b可看出，根據(jù)本發(fā)明所提出的多次迭代調(diào)平算法，可在刻寫樣品有較多雜質(zhì)的情況下，仍然保持極高的刻寫均勻性，且在光學(xué)反射率相差較大的材料上，均取得極高的調(diào)平精度，由此，采用本發(fā)明，可使激光直寫系統(tǒng)進(jìn)行器件制備、材料研究的均勻性和成功率得到顯著提升。

對比例：

圖5使用的樣品，為玻璃基底上的40nm厚度sn薄膜。圖中直角標(biāo)尺的數(shù)值均為40μm。

圖5之a(chǎn)為未使用本發(fā)明調(diào)平的刻寫效果，左下角有明顯的刻寫不均勻現(xiàn)象；圖5之b使用了本發(fā)明調(diào)平后的刻寫效果，則表現(xiàn)出良好的均勻性。

以上的實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。