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 河南理工大学计算机科学与技术学院, 河南 焦作 454000
2 郑州大学国际学院, 河南 郑州 450000
为了提升高动态范围图像的显示效果,提出一种基于交叉分解的高动态范围图像色调映射算法。在分析图像边缘滤波的基础上,给出一种基于交叉分解的图像分解与重构算法,并对重构系数进行分析,再将其应用到色调映射中。首先在色度亮度空间中对色度、亮度信息进行分离。然后对亮度信息分别使用高斯滤波器和双边滤波器进行滤波以构造出一种交叉分解方案,得到包含大尺度结构信息的基本层、包含纹理信息的细节层以及亮度存在剧烈变化的边界层。最后对重构系数进行详细讨论,确定色调映射中的系数选取规则,对亮度范围进行压缩和重构。实验结果表明,所提算法在有效压缩图像动态范围的同时,还可以较好地保持颜色信息、增强边界和纹理等细节特征。
图像处理 色调映射算法 高动态范围图像 图像交叉分解 图像滤波 细节提取 激光与光电子学进展
2021, 58(14): 1410020
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
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
超精密平面光栅编码器位移测量技术是32~7 nm节点浸没式光刻机的核心技术。通过分析浸没式光刻机平面光栅位置系统的需求和布局, 提出了光刻机专用超精密平面光栅编码器的基本需求。针对现有的光栅编码器, 开展了基本测量光路方案、相位探测方案、分辨率增强光路方案、离轴/转角允差光路方案、死程误差抑制光路方案的综述分析, 提出了现有设计方案面向光刻机应用所需要解决的关键问题。面向亚纳米级测量精度的需求, 针对光栅编码器的仪器误差, 对周期非线性误差、死程误差、热漂移误差和波前畸变误差进行了综述分析, 提出了平面光栅编码器实现亚纳米精度所需要解决的关键问题。本综述为光刻机专用超精密平面光栅编码器的研制提供了参考。
浸没式光刻机 光学干涉式光栅编码器 位移测量 immersion lithography scanner optical interferential grating encoder displacement measurement
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
