本發(fā)明涉及微納加工技術(shù)中的激光直寫系統(tǒng)，具體地說是一種基于在線圖像分析的激光直寫系統(tǒng)的聚焦方法。

背景技術(shù)：

微納加工是制造微米尺度和納米尺度微小結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)總稱，結(jié)構(gòu)尺寸從幾個納米到100μm都屬于微納加工的范圍。隨著光電子器件、半導(dǎo)體器件以及微電子機械器件的小批量、定制化的需求不斷地增加，高分辨率、高生產(chǎn)效率、低環(huán)境要求、多受體材料兼容的直寫式微納加工設(shè)備越來越受到人們的關(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)用比較廣泛的還是激光束直寫光刻。

激光束直寫光刻技術(shù)屬于一種無掩模微納加工技術(shù)手段，激光直寫系統(tǒng)的一個核心問題是光束聚焦。通過對高斯光束的光強分布模擬可知，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)，但卻有超過90％以上的激光能量聚集于該范圍內(nèi)，而在焦深范圍之外，激光能量會急劇降低，導(dǎo)致無法實現(xiàn)有效刻寫。

目前激光直寫系統(tǒng)普遍采用的光學(xué)聚焦技術(shù)是利用四象限探測器，采集樣品表面的反射光強，并通過象散法計算確定樣品準確聚焦對應(yīng)的物鏡高度。但上述方法很難適應(yīng)樣品表面有雜質(zhì)、樣品表面反射率差異較大等情況；并且，象散法需要長時間開啟聚焦光源，很容易對某些較為敏感的刻寫樣品造成破壞；因此，限制了激光直寫系統(tǒng)所能加工的材料范圍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述問題，提供一種基于在線圖像分析的激光直寫系統(tǒng)的聚焦方法，該方法可拓寬激光直寫系統(tǒng)所能加工的材料范圍。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于在線圖像分析的激光直寫系統(tǒng)的聚焦方法，所述激光直寫系統(tǒng)包括物鏡及相機，所述聚焦方法包括以下步驟：

1)通過粗調(diào)焦，將物鏡高度置為目標高度附近的某值zi；打開照明光源，關(guān)閉聚焦光源，通過相機采集樣品表面的圖像；此時的圖像只有背景，沒有聚焦光斑，稱之為背景圖像；

2)保持照明光源開啟，打開聚焦光源，再次通過相機采集樣品表面的圖像；此時的圖像既有背景，又有聚焦光斑，稱之為信源圖像；

3)將背景圖像和信源圖像都轉(zhuǎn)換成灰度圖像，再進行消共模差運算，得到信號圖像；

4)將信號圖像裁剪成以聚焦光斑為中心，但比聚焦光斑稍大的正方形；

5)以聚焦光斑的中心為圓心，計算不同半徑r對應(yīng)的圓周上的平均灰度值i，得到r-i曲線圖；

6)搜索r-i曲線圖，找到半徑最大的極值點imzx，乘以修正系數(shù)k，得到邊界灰度ith，再通過查找r-i曲線圖，找到ith對應(yīng)的半徑rth，此時的rth即是物鏡高度為zi時，聚焦激光光斑的尺寸；

7)使物鏡上下移動到不同的高度值，重復(fù)步驟1)-6)，得到一系列的zi以及每一個zi對應(yīng)的rth，繪制為z-r散點圖，并以最小二乘法做直線擬合；如果直線擬合不能使聚焦精度達到100nm以下，則改用多項式擬合法，擬合曲線；

8)然后通過解析步驟7)中得到的擬合直線或曲線，確定rs對應(yīng)的zs，將zs輸出為物鏡高度值，聚焦完成。

進一步地，步驟1)中的粗調(diào)焦，是使樣品或物鏡移動，使其相對距離在焦點附近，精度為±5μm。

進一步地，步驟3)中的灰度圖像為8bit位深度。

進一步地，步驟3)中的消共模差運算，是將兩幅尺寸和位深度都相同的圖片相減，去除兩幅圖片相同的區(qū)域，保留兩幅圖片不同的區(qū)域，輸出為一張新的圖片。

進一步地，步驟8)中的最佳刻寫效果，是指相比一般的刻寫效果，樣品敏感層接收到的激光能量更高，刻寫過的區(qū)域反射率更均勻，圖像特征更清晰。

進一步地，在獲得步驟8)所述的最佳刻寫效果時，根據(jù)相機所采集到的信號圖像解析出光斑尺寸rs。

進一步地，相機包括ccd相機、cmos相機及其他圖像傳感器。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：本發(fā)明可以有效地排除樣品表面雜質(zhì)、反射率對聚焦的干擾，將聚焦精度保持在100nm以內(nèi)；本發(fā)明聚焦速度快，聚焦光源亮起時間短，可以大幅降低聚焦光對敏感樣品的損壞，從而大大拓寬激光直寫系統(tǒng)所能加工的材料的范圍，并提高了刻寫質(zhì)量和成品率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的背景圖像。

圖2為本發(fā)明中的信源圖像。

圖3為本發(fā)明中的信號圖像。

圖4為本發(fā)明中的r-i曲線圖。

圖5為本發(fā)明中的z-r散點圖及擬合直線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

一種基于在線圖像分析的激光直寫系統(tǒng)的聚焦方法，所述激光直寫系統(tǒng)包括物鏡及相機，所述聚焦方法包括以下步驟：

1)固定好玻璃基底上40nm厚度的sn薄膜樣品，通過粗調(diào)焦，將物鏡高度置為目標高度附近的某值zi，此處zi為52μm；打開led照明光源，關(guān)閉聚焦光源，通過相機采集樣品表面的圖像；此時的圖像只有背景，沒有聚焦光斑，稱之為背景圖像；如圖1所示。粗調(diào)焦使用精密螺紋電動螺母，或者壓電陶瓷，或者直線電機，帶動樣品或物鏡移動，使其相對距離在焦點附近，精度為±5μm。

2)保持led照明光源開啟，打開聚焦光源，再次通過相機采集樣品表面的圖像；此時的圖像既有背景，又有聚焦光斑，稱之為信源圖像；如圖2所示。

3)將圖1的背景圖像和圖2的信源圖像都轉(zhuǎn)換成8bit位深度的灰度圖像，并進行高斯濾波和消共模差運算處理，去除雜散噪聲，降低樣品表面雜質(zhì)對光斑分析造成的干擾，得到如圖3所示的左側(cè)圖像；此時的圖像稱之為信號圖像。消共模差運算的原理是將兩幅圖像轉(zhuǎn)換為矩陣，然后相減，再輸出為一張新的圖像。

4)將信號圖像裁剪成以聚焦光斑為中心，但比聚焦光斑稍大的正方形；如圖3所示的右側(cè)圖像。這樣可以大大減小后續(xù)的計算量，提高算法執(zhí)行速度。

5)計算出圖3右側(cè)圖像內(nèi)，以聚焦光斑的中心為圓心，計算不同半徑r對應(yīng)的圓周上的平均灰度值i，得到r-i曲線圖；如圖4所示。

6)搜索r-i曲線圖，找到半徑最大的極值點imax，乘以修正系數(shù)k，得到邊界灰度ith，再通過查找r-i曲線圖，找到ith對應(yīng)的半徑rth，此時的rth即是物鏡高度為zi時，聚焦激光光斑的尺寸。

7)使物鏡上下移動到不同的高度值，重復(fù)步驟1)-6)，使zi從50μm-53.5μm連續(xù)步進，得到一系列的zi以及每一個zi對應(yīng)的rth，繪制為z-r散點圖，并以最小二乘法做直線擬合；如圖5所示。

8)通過刻寫實驗，確定激光直寫系統(tǒng)實際工作時的最佳刻寫效果對應(yīng)的光斑尺寸rs為89個像素，然后通過解析步驟7)中得到的擬合直線，確定rs對應(yīng)的zs為51.2μm，將物鏡高度設(shè)置為51.2μm，并將此高度輸出給執(zhí)行器，聚焦完成。此時，激光直寫系統(tǒng)的物鏡達到較為理想的聚焦位置。執(zhí)行器一般為壓電陶瓷或其他精密微動部件。

上述實施例中，相機包括ccd相機、cmos相機及其他圖像傳感器。

本發(fā)明首先通過高分辨率相機采集樣品表面的圖像信息，然后利用自主設(shè)計的圖像分析算法，對其進行分析與處理，得到聚焦激光光斑尺寸與物鏡高度之間的映射關(guān)系，最后找出最佳聚焦狀態(tài)對應(yīng)的光斑尺寸并動態(tài)追蹤，從而實現(xiàn)激光直寫系統(tǒng)的聚焦。這種基于圖像分析的聚焦方法，相比于傳統(tǒng)的四象限聚焦方法，不僅可以排除樣品表面雜質(zhì)的干擾，還可以在保證聚焦精度的前提下，適應(yīng)各種不同反射率的材料，且本方法聚焦速度快，聚焦光源亮起時間短，可以降低聚焦光對敏感樣品的損壞，因此可拓寬激光直寫系統(tǒng)所能加工的材料范圍。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本發(fā)明專利的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。