压电微悬臂梁传感器用于平行度检测中的若干关键技术研究

摘要

在纳米光刻技术中，掩膜版通常需要逼近甚至是接触基片表面。为了获得高分辨率的图案复制结果，需要对纳米光刻技术中的掩膜版与基片进行高精度的平行度检测。本文提出了一种利用压电悬臂梁来检测两平面之间平行度的方法。相对于现有的平行度检测技术而言，本文提出的方法具有检测分辨率高、鲁棒性好的特点。
　　 首先本文分析了压电悬臂梁平行度检测的检测原理。建立了压电悬臂梁平行度检测模型，依据误差理论对压电悬臂梁平行度检测进行精度分析。精度分析结果表明，压电悬臂梁平行度检测的精度与压电悬臂梁的初始位置与端头位移检测精度有关。
　　 依据对压电悬臂梁平行度检测原理的分析，本文设计了相应的检测系统。使用两块平面度优于35nm的光学平晶来模拟纳米光刻中的掩膜版与基片。利用等厚干涉原理，设计了角度调整分辨率为1.4μrad的三点微动平行度调整装置，用于调整两平晶之间的平行度至优于四分之一照明波长。利用摩尔条纹对准技术，设计了XY平面内的对准标记，用于实现两平晶之间1μm精度的对准。
　　 为了检测压电悬臂梁在微小端头位移下的微弱输出电荷信号，对低噪声微弱压电电荷检测技术进行了深入的研究。对电荷-电压灵敏度为23.4mV/pC的冷放电电荷放大器进行了详细的理论与Pspice仿真分析。分析结果表明，冷放电电荷放大器具有优于经典电荷放大器的噪声特性。冷放电电荷放大器通过级间反馈，以牺牲低频响应为代价，降低了高阻值反馈电阻的噪声对电荷放大器输出噪声的影响。对电荷-电压灵敏度为20mV/fC正向偏置节型场效应管电荷放大器进行了详细的理论与Pspice分析。分析结果表明正向偏置节型场效应管电荷放大器可以在不使用高阻值反馈电阻的情况下获得良好的低频响应特性，极大地降低了微弱电荷检测中的噪声。
　　 最后，本文搭建了压电悬臂梁高分辨率位移检测装置。使用压电双晶片与冷放电电荷放大器实现了端头位移在5nm时对应压电电荷信号的检测。获取了压电双晶片的端头位移-输出电压灵敏度为17.5mV/nm。使用正向偏置节型场效应管电荷放大器初步实现了对200μm长的压电微悬臂梁fC量级微弱电荷输出的检测。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 纳米光刻技术

1．2．1 纳米压印光刻

1．2．2 沾水笔光刻

1．2．3 菲涅尔波带片阵列无掩膜光刻

1．3 纳米光刻技术中的平行度检测与调整

1．3．1 自适应式平行度调整

1．3．2 光学干涉空间相位成像平行度检测

1．3．3 电容传感器平行度检测

1．3．4 悬臂梁式传感器平行度检测

1．4 本文的主要内容

第二章 压电悬臂梁平行度检测系统设计

2．1 引言

2．2 压电悬臂梁平行度检测原理与精度分析

2．2．1 压电悬臂梁平行度检测原理

2．2．2 压电悬臂梁平行度检测精度分析

2．3 压电悬臂梁平行度检测系统设计

2．3．1 光学干涉平行度调整装置的设计

2．3．2 光学平晶表面金属电极的设计

2．4 本章小结

第三章 低噪声微弱压电电荷信号检测电路的设计与仿真

3．1 压电电荷检测技术

3．2 冷放电电荷放大器

3．2．1 冷放电电荷放大器原理

3．2．2 冷放电电荷放大器的设计与Pspice仿真分析

3．3 正向偏置节型场效应管电荷放大器

3．3．1 正向偏置节型场效应管电荷放大器原理

3．3．2 正向偏置节型场效应管电荷放大器的设计与Pspice仿真分析

3．3．3 分立元件电荷放大器的电源设计

3．4 本章小结

第四章 压电悬臂梁高分辨率位移检测实验与分析

4．1 压电悬臂梁高分辨率位移检测实验装置

4．2 压电悬臂梁高分辨率位移检测

4．2．1 PI台位移响应曲线测试

4．2．2 压电双晶片高分辨率位移检测结果与分析

4．2．3 压电微悬臂梁高分辨率位移检测结果与分析

4．3 压电悬臂梁平行度检测的初步尝试

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 主要工作总结

5．2 创新之处

5．3 展望

参考文献

在读硕士期间发表的论文与取得的研究成果

致谢