对准系统中调焦机构机械摆动引入误差的补偿

　　1　引　言

　　压印光刻[1]作为下一代微细图形化备选工艺,必须具备多层套印能力。套刻精度是光刻机最重要的性能指标,它决定了分层压印制造所能达到的最小特征尺寸,也是任何类型的光刻机重点研究的内容[2-4]。虽然基于不同图形化原理和对准方式的光刻机提高其套印精度所面临的具体问题不同,但对准子系统中的误差是决定总体套刻精度的主要部分[5]。影响对准精度的因素包括标记图像成像子系统(包括镜头、CCD以及图像处理算法)、聚焦精度和重复性、机构机械性能、驱动分辨精度等。本课题组为微器件分层压印制造研究需要,开发了一套基于计算机显微视觉原理的对准系统,并已经对其中标记图像几何畸变校正、离焦误差进行了研究[6-7]。

　　由于压印模板标记和基材标记不在同一焦平面,对准过程中为了对模板标记和基材标记进行采集,需要通过调整架对镜头焦平面进行调整,但调焦过程中调整架Z轴的随机偏摆会引入对准误差。光程补偿虽然可以同时采集不同平面标记信号,避免焦平面的重新调整过程,然而由于用于微结构分层压印成形的对准系统具有大间距、变间隙的特点,该方法很难解决物镜景深不足的问题[8]。提高调焦机构硬件性能是提高精度最为有效和可靠的途径,但它是以增加成本为代价的。通过研究误差产生机理,采用合理的误差补偿算法,也可以达到较好的效果,并且算法可以不断改进而不需要改变系统的结构。本文提出用亚像素定位算法跟踪调焦过程中随调整架摆动的标记位置变化,以此为基础建立了调整架的摆动轨迹模型及误差补偿方法,并对摆动轨迹模型的预测补偿精度进行了实验研究。

　　2　摆动轨迹测量的方法及原理

　　2.1　测量方法

　　对准系统如图1所示,CCD-光学镜头组在调整架上可以做X-Y-Z方向的调整,用于调整CCD视场和调焦。工作台具有X-Y-θ三自由度,用于驱动基材实现对准。压印头具有Z向自由度,用于对准后压印驱动。工作台采用宏微两级驱动,宏驱动采用直线电机驱动,微驱动采用压电陶瓷驱动,总体对准精度要求为2μm。

　　为了研究调整架的摆动规律,对调整架的摆动轨迹进行了测量。将带有定位标记的测试件固定在压印头上,以一定的步距随压印轴上下移动,每移动一步并调焦后,计算定位点的坐标,就可以得到调整架调焦过程中的摆动轨迹。

　　2.2　定位算法原理

　　标记定位算法的精度直接影响后续模型及补偿效果和精度。调焦调整架摆动误差在微米级,定位算法精度至少应该比其高一个数量级。目前数字图像的像素尺寸在微米级,因此需要通过一定的算法处理得到亚像素的定位精度。亚像素算法包括形心法、拟合法及相关算子法等[9-11],其中相关算子法是取一定尺寸的运算窗口,抗噪声能力强,适应性强,但是计算量大。由于是实验标定,对算法速度要求不是很高,所以可采用亚像素相关模板匹配算法进行定位运算,亚像素步长标准化协方差相关算法的相关系数计算公式如下: