Нанолитограф

Полезная модель относится к разделу технологического оборудования оптоэлектроники и может быть использована для улучшения технических характеристик оптических дифракционных элементов (ДОЭ) или высокоточных углоизмерительных структур (УИС), формируемых с помощью лазерных генераторов изображений с наноразрешением (нанолитографов), работающих в полярной системе координат и реализующих технологию записи топологии ДОЭ и УИС в режиме кругового сканирования.
Известно техническое решение, касающиеся учета и компенсации температурных изменений среды и узлов ЛГИ КС при записи ДОЭ (Патент РФ 2587528, «Способ контроля погрешности изготовления дифракционных оптических элементов (ДОЭ)» МПК G02B 5/18, опубликовано 20.06.2016.). Необходимость принятия специальных технических решений в части изменения температурного режима план-шайбы или стеклянной заготовки состоит в том, что учет изменений линейных размеров вращающейся системы тел: план-шайбы и стеклянной заготовки будущего ДОЭ, обусловленных изменениями температуры и план-шайбы, и заготовки существенно отличается от учета изменений показателя преломления воздуха, который при записи топологии ДОЭ ничем не отличается от аналогичной операции при измерении линейных перемещений с помощью лазерных интерферометров и, в подавляющем большинстве случаев, реализуется за счет автоматического учета изменений температуры, давления и влажности воздуха, в котором распространяется лазерное излучение интерферометра. А вот учет изменений линейных размеров вращающейся системы тел: план-шайбы и стеклянной заготовки будущего ДОЭ, обусловленных изменениями температуры, -весьма затруднен из-за их непрерывного вращения. Чтобы обойти эти затруднения, в патенте РФ 2587528 предложено наносить в узком угловом секторе топологии будущего дифракционного оптического элемента вспомогательные референтные метки в виде коротких дуг. Конечно, нанесение вспомогательных референтных меток искажает топологию формируемого оптического элемента, но их влияние, согласно предварительным расчетам, существенно меньше, чем искажения, вносимые температурно-временными дрейфами. Но не их наличие как таковых внутри структуры ДОЭ является главным недостатком известного метода компенсации температурно-временных дрейфов. Основное противоречие возникает при отрисовке самих дуговых отрезков. На отрисовку короткого дугового отрезка требуется полный оборот ротора шпинделя. В результате во всем диапазоне изменения радиального размера ДОЭ в выделенном угловом секторе приходится наносить весьма ограниченное число отрезков, чтобы иметь возможность нанести их за максимально короткий временной интервал, в течение которого не успели бы проявиться температурно-временные дрейфы. Только в этом случае нанесенные отрезки можно действительно рассматривать как референтные (опорные) и использовать их для сравнивания с радиальным положением текущих топологических элементов, имеющих по чертежу одинаковые с референтными отрезками радиальные координаты, но которые к моменту их формирования, как правило, уже накопили температурно-временными искажения. Повышение точности формирования топологии ДОЭ требует наличия более частых референтных меток, но это неизбежно связано с увеличением времени их формирования и, как следствие, появлением температурно-временных искажений. В результате возникает некоторое оптимальное соотношение между необходимой точностью формирования топологии ДОЭ и допустимым числом референтных меток, формируемых в выделенном узком секторе рабочего поля ДОЭ.
Таким образом, известное техническое решение учета и компенсации температурных изменений, вносимых окружающей средой и температурной нестабильностью размеров узлов ЛГИ КС, с помощью нанесения в узком угловом секторе ограниченного набора коротких референтных дуг не требует дополнительных аппаратных затрат, но он имеет заметные ограничения по достижимой точности формирования топологии ДОЭ.
Известно техническое решение по построению схемы лазерного генератора изображений с круговым сканированием (ЛГИ КС) для работы в полярной системе координат, (Патент РФ №175219 «Лазерный генератор изображений для работы в полярной системе координат» МПК В41М 5/26, H01S 3/101, опубликовано 28.11.2017 г.), выбранное в качестве прототипа и содержащего гранитную плиту с продольным прямоугольным пазом, среднее сечение которого совпадает с главной плоскостью ЛГИ КС, и сквозным круглым отверстием для размещения шпинделя узла вращения, сформированного симметрично относительно центра гранитной плиты. Вертикальные стенки продольного паза и рабочая поверхность гранитной плиты в этом генераторе выступают направляющими плоскостями для аэростатических опор системы радиальных перемещений записывающей головки оптического канала ЛГИ КС. В состав системы управления радиальными перемещениями записывающей головки входит дифференциальный интерферометр с разделенными зеркалами в обоих плечах (измерительном и референтном). Для подавления температурного дрейфа нуля интерферометра обе пары зеркал устанавливаются симметрично относительно главной плоскости ЛГИ КС, при этом зеркала измерительного плеча размещаются на каретке системы радиальных перемещений, а зеркала референтного плеча - на корпусных деталях системы пространственной ориентации шпиндельного узла. Причем имеется одно положение каретки, при котором обе пары зеркал оказываются лежащими в одной плоскости, совпадающей с центром вращения ротора шпиндельного узла вращения и с оптическим центром объектива записывающей головки. Это положение принимается за нулевое, и оно характеризуется отсутствием температурного дрейфа. Это свойство характерно только для одной точки из всего диапазона перемещений каретки. В остальных точках рабочего диапазона перемещений приходится учитывать температурные изменения показателя преломления воздуха окружающей среды и температурные расширения материалов, из которых изготовлены планшайба ротора и подложка будущего оптического элемента.
Недостатком известного технического решения является низкая точность формирования топологии ДОЭ.
Перед авторами стояла задача разработать нанолитограф с возможностью формирования топологии ДОЭ с точностью до единиц нанометра и менее.
Поставленная задача решается тем, что нанолитограф, содержащий гранитную плиту, в центре которой сформировано сквозное отверстие большого диаметра, а со стороны рабочей поверхности сформирован продольный паз таким образом, что серединное сечение продольного паза совпадает с главной плоскостью нанолитографа, шпиндельный узел вращения, систему пространственной ориентации шпиндельного узла вращения, первую систему линейных перемещений, которая содержит первую каретку линейных перемещений и выполненную с возможностью перемещений по рабочей поверхности гранитной плиты посредством вертикальных стенок продольного паза, которые выполнены в виде направляющих для первой каретки линейных перемещений, несущую на себе оптический канал с записывающей головкой, который выполнен для транспортировки и фокусировки лазерного излучения, при этом на горизонтальном дне продольного паза установлен статор линейного двигателя первой системы линейных перемещений, причем в качестве датчика обратной связи первой системы линейных перемещений выполнен первый лазерный интерферометр дифференциального типа, плоские зеркала измерительного плеча которого установлены на первой каретке линейных перемещений, а зеркала референтного плеча первого интерферометра дифференциального типа установлены на корпусных деталях системы пространственной ориентации шпиндельного узла вращения, установленного в сквозном отверстии большого диаметра в центре гранитной плиты, дополнительно снабжен второй системой линейных перемещений, которая выполнена содержащей вторую каретку линейных перемещений, несущую на себе считывающую головку и размещенной на рабочей поверхности гранитной плиты относительно центра вращения ротора шпиндельного узла вращения диаметрально противоположно по сравнению с первой системой линейных перемещений и с возможностью перемещения второй каретки линейных перемещений посредством вертикальных стенок продольного паза гранитной плиты, а так же датчиком обратной связи, который сформирован в виде второго лазерного интерферометра дифференциального типа, зеркала измерительного плеча которого установлены на второй каретке линейных перемещений, а плоские зеркала референтного плеча второго интерферометра дифференциального типа совмещены с плоскими зеркалами референтного плеча первого интерферометра дифференциального типа.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в уменьшении погрешности формируемой топологии ДОЭ до уровня, не превышающего 1,0 нм.
Кроме того, заявляемое техническое решение позволяет расширить ассортимент устройств данного назначения.
На фиг. 1 представлена блок-схема, поясняющая работу заявляемого нанолитографа, где 1 - первая каретка линейных перемещений, 2 - записывающая головка, 3 - первый интерферометр дифференциального типа, 4 - зеркало измерительного плеча первого интерферометра дифференциального типа, 4 - начальное положение зеркал измерительного плеча первого интерферометра дифференциального типа, 5 - плоское зеркало референтного плеча первого интерферометра дифференциального типа, 6 - вторая каретка линейных перемещений, 7 - считывающая головка, 8 - второй интерферометр дифференциального типа, 9 - зеркало измерительного плеча второго интерферометра дифференциального типа, 9' - начальное положение зеркал измерительного плеча второго интерферометра дифференциального типа, 10 - шпиндельный узел вращения, 11 - окружность минимально возможного диаметра, окружность 12 - максимально достижимого диаметра, 13 - гранитная плита, 14 - корпусные детали.
На Фиг. 2. представлено двухстороннее зеркало для референтных плеч первого интерферометра дифференциального типа и второго интерферометра дифференциального типа, где 5 - плоское зеркало референтного плеча первого интерферометра дифференциального типа, 15 - светоотражающий слой.
Заявляемый нанолитограф с наноразрешением работает следующим образом. Предварительно, до начала записи топологии формируемого ДОЭ с помощью имеющейся записывающей головки 2 первой каретки линейных перемещений 1 за возможно короткий промежуток времени формируют (по возможности вне рабочего поля ДОЭ) две вспомогательные окружности: окружность 11, минимально возможного диаметра, и окружность 12, максимально достижимого диаметра. Предполагается, что в данном техническом решении первая система линейных перемещений, которая содержит первую каретку линейных перемещений 1 размещается только с одной стороны относительно шпиндельного узла вращения 10. Первая каретка линейных перемещений 1 выполнена с возможностью перемещений по рабочей поверхности гранитной плиты 13. В центре гранитной плиты 13, сформировано сквозное отверстие большого диаметра, а со стороны рабочей поверхности сформирован продольный паз, таким образом, что серединное сечение продольного паза совпадает с главной плоскостью нанолитографа Посредством вертикальных стенок продольного паза, которые выполнены в виде направляющих, первая каретка линейных перемещений 1 перемещается и несет на себе оптический канал с записывающей головкой 2. который выполнен для транспортировки и фокусировки лазерного излучения.
Первая система линейных перемещений записывающей головки 2 имеет в своем составе в качестве датчика обратной связи первый интерферометр дифференциального типа 3. Зеркала 4 измерительного плеча первого интерферометра дифференциального типа 3 размещаются на каретке линейных перемещений 1, а плоские зеркала 5 референтного плеча первого интерферометра дифференциального типа 3 - на корпусных деталях системы пространственной ориентации шпиндельного узла вращения 10. Зеркала 4 измерительного плеча первого интерферометра дифференциального типа 3 и плоские зеркала 5 референтного плеча первого интерферометра дифференциального типа 3 располагаются симметрично относительно центра вращения ротора шпиндельного узла вращения 10, который установлен в сквозном отверстии в центре гранитной плиты 13. А на горизонтальном дне продольного паза гранитной плиты 13 установлен статор линейного двигателя первой системы линейных перемещений.
При этом плоские зеркала 5 референтного плеча первого интерферометра дифференциального типа 3, располагающиеся на корпусных деталях 14 узла пространственной ориентации шпиндельного узла вращения 10, выполнены со светоотражающим слоем 15 (см. фиг. 2), двухсторонним отражением в виде склеек из двух плоскопараллельных пластинок, равной толщины, склеиваемые стороны которых покрыты светоотражающей пленкой с высоким коэффициентом отражения. Это позволяет максимально сократить неконтролируемый отрезок между двумя измерительными системами, размещенными по обе стороны относительно шпиндельного узла вращения 10. В положении, когда зеркала 4 измерительного плеча первого интерферометра 3 дифференциального типа находятся в позиции начального положения 4 зеркал измерительного плеча первого интерферометра дифференциального типа, совпадающей с диаметральной плоскостью шпиндельного узла вращения 10, разность хода лучей в обоих первого интерферометра 3 дифференциального типа нулевая. В этом положении обеспечивается максимальная устойчивость системы линейных перемещений записывающей головки 2 к изменениям температуры окружающей среды.
внеш
На рабочей поверхности гранитной плиты 13 относительно центра вращения ротора шпиндельного узла вращения 10, во второй части прямоугольного продольного паза, расположенного по другую сторону относительно центра гранитной плиты 13, (диаметрально противоположно по сравнению с первой системой линейных перемещений) дополнительно размещается вторая каретка линейных перемещений 6 второй системы линейных перемещений, несущую дополнительную считывающую головку 7, с возможностью перемещения второй каретки линейных перемещений 6 посредством вертикальных стенок продольного паза гранитной плиты 13. Структура второй системы линейных перемещений полностью идентична структуре первой системы линейных перемещений записывающей системы, в т.ч. она использует в своем составе в качестве датчика обратной связи второй интерферометр дифференциального типа 8. При этом зеркала измерительного плеча второго интерферометра дифференциального типа 9 установлены на второй каретке линейных перемещений 6, а зеркалами референтного плеча являются обратные стороны склеек из двух плоскопараллельных пластин, другая сторона которых, как указывалось выше, используется в качестве плоских зеркал референтного плеча первого интерферометра дифференциального типа 5. Поэтому вторая система линейных перемещений считывающей головки 7, при отодвинутой в крайнее рабочее положение первой каретки линейных перемещений 1 первой системы линейных перемещений, имеет возможность сместить считывающую головку 7 в центральную зону таким образом, что зеркала 9 измерительного плеча второго интерферометра дифференциального типа оказываются находящимися в позиции начального положения 9 зеркал измерительного плеча второго интерферометра дифференциального типа в одной плоскости, совпадающей с центром вращения ротора шпиндельного узла вращения 10. Т.е. вторая система линейных перемещений так же характеризуется отсутствием собственного температурного дрейфа. Кроме того, в этом положении вторая система линейных перемещений имеет возможность произвести сканирование ранее записанной окружности 11 минимально возможного диаметра, а затем сместиться в крайнее положение (противоположное позиции первой системы линейных перемещений) и просканировать окружность 12 максимально достижимого диаметра. При этом сканирование окружности минимально возможного диаметра 11 производится в двух диаметрально противоположных точках. Благодаря этому имеется возможность вычислить центр вращения ротора шпиндельного узла вращения 10 и взять его за начало радиальных координат дополнительной системы управления. Как следствие, происходит полное совпадение нулей обеих систем управления: первой системы линейных перемещений и второй системы линейных перемещений. При сканировании следа окружности 12 максимально достижимого диаметра определяется ее радиус R, полученный теперь уже с помощью второй системы линейных перемещений. Как следствие, определяется тождественность измерений, выполняемых с помощью обеих систем линейных перемещений.
внеш 0
Задача второй системы линейных перемещений - отслеживать во времени пространственное положение окружности 12 максимально достижимого диаметра. Для этого с заданной периодичностью вычисляется центр следа окружности 12 максимально достижимого диаметра, которому ставится в соответствие начальное значение радиуса записанной окружности R. Это значение вносится в систему как координата удержания второй каретки линейных перемещений 6 второй системы линейных перемещений.
внеш0
С этого момента может вестись запись топологии ДОЭ с помощью первой системы линейных перемещений. Поглощаемая энергия лазера, изменяющаяся температура окружающей среды, как правило, приводят к некоторому изменению в пространственном положении записанного следа окружности 12 максимально достижимого диаметра относительно его начального положения R.  В принципе, это изменение может быть обусловлено несколькими причинами: смещением в пространстве всего носителя ДОЭ (температурный дрейф нуля полярной системы координат), температурным изменением длины волны излучения, используемого в интерферометре, расширением материала план-шайбы или стеклянного носителя. Температурный дрейф нуля проверяется так же, как и в известных решениях: путем возврата записывающей головки 2 в центральную зону, сканирования окружности малого диаметра в двух диаметрально противоположных точках, определения центров следа окружности минимально возможного диаметра 11, вычисление центра вращения ротора шпиндельный узел вращения 10, сравнивания полученного текущего показания с начальным и коррекция накопленного дрейфа. После коррекции дрейфа нуля производится оценка оставшегося пространственного смещения из-за изменений оптической разности хода. Однако использование в обеих системах управления дифференциальных интерферометров с нулевыми «мертвыми» ходами лучей, дают основание гарантировать отсутствие температурных дрейфов начального положения в каждом интерферометре дифференциального типа, и отнести зарегистрированные изменения на реальные изменения оптической разности хода в измерительном плече второго интерферометра дифференциального типа 8. Подтверждение этого постулата осуществляется на стадии испытаний нанолитографа. В ходе эксплуатации эти зарегистрированные расхождения считаются изменениями оптической разности хода в измерительном плече второго интерферометра дифференциального типа 8, обусловленные температурными изменениями воздушной среды, размеров носителя или узлов нанолитографа.
i
внеш0
внеш0
Для процедуры коррекции температурных изменений это имеет принципиальное значение, т.к. дрейф нуля представляет собой аддитивную составляющую погрешности, а изменения разности хода - мультипликативную. Тогда зарегистрированную с помощью считывающей головки 7 разность между текущим положением центра следа окружности 12 максимально достижимого диаметра R и начальным - R следует рассматривать как текущую накопленную погрешность радиальной координаты. Вклад этой составляющей в искажения топологии ДОЭ пропорционален текущему радиусу сканирования и, как правило, ее вклад в искажения формируемой топологии ДОЭ будет меньше, чем искажения R, т.е. пропорционально текущей координате записывающей головки 2. Для начальных условий справедливо соотношение:
нач
ном
внеш
нач
i
где λ - длина волны лазера для начальных условий записи (устанавливается с помощью специального блока ввода поправок), N - код числа в реверсивном счетчике интерферометра дифференциального типа (пропорционален числу интерференционных полос или кратных долей на интервале перемещений от нуля до координаты R). Если через интервал времени Δt из-за теплового расширения стеклянной подложки при сканировании следа окружности 12 максимально достижимого диаметра получена координата центра следа, равная , то это послужит сигналом необходимости текущей коррекции λ, т.е. условий записи топологии ДОЕ. Для приведения результата измерения к номинальному (начальному) результату необходимо ввести в контроллер второй каретки линейных перемещений 6 новый коэффициент пропорциональности - λ. Тогда будет справедливо соотношение:
i
нач
Если полученное значение λ внести в процессор первой каретки линейных перемещений 1 и использовать его вместо параметра λ, то процесс записи топологии ДОЭ будет автоматически учитывать изменившиеся условия записи. Благодаря этому, будут корректироваться текущие координаты элементов топологии ДОЭ в соответствии с меняющимися условиями записи, без накопления погрешностей в топологии. Качество корректировки текущих координат топологии ДОЭ будет зависеть от частоты проверки текущего значения , которое может проводиться достаточно часто, чтобы обеспечить диагностирование уходов с высоким разрешением.
Технический эффект от использования предложенной полезной модели нанолитографа оценим на примере применения в составе обеих систем управления интерферометров дифференциального типа фирмы Renishaw (Англия) модели RLD 10, совместно с интерфейсным блоком RPI 20, вместе обеспечивающих разрешающую способность измерений, равную 38,6 пм. При таком разрешении датчиков обратной связи контроллеры, например, фирмы ACS Motion Control (Израиль) обеспечивают регистрацию текущей позиции каретки с неопределенностью не хуже 0,3 нм. Следовательно, положение центра записанной окружности 12 максимально достижимого диаметра вторая каретка линейных перемещений 6 может отслеживать с неопределенностью не хуже 0,3 нм. С подобной неопределенностью будет формироваться и топология ДОЭ, несмотря на меняющиеся в широких пределах параметры внешней среды. Это удовлетворяет современным требованиям нанотехнологий, что и позволяет называть подобный лазерный генератор изображений, реализованный в соответствии с положениями данной полезной модели, как нанолитограф с возможностью формирования топологии ДОЭ с точностью до единиц нанометра и менее. Таким образом, достигается технический эффект, а именно в уменьшении погрешности формируемой топологии ДОЭ до уровня, не превышающего 1,0 нм, что также позволяет расширить ассортимент устройств данного назначения.