CN100410725C

CN100410725C - 使用空间光调制器的改进方法和装置

Info

Publication number: CN100410725C
Application number: CNB2006100827965A
Authority: CN
Inventors: 托布乔恩·桑德斯特罗姆; 贾雷克·卢伯里克
Original assignee: Micronic Laser Systems AB
Current assignee: Micronic Laser Systems AB
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2022-09-09
Also published as: CN1913001A; CN1582407A; JP2005502914A; DE10297208T5; US6965119B2; US20030081303A1; KR20040047816A; WO2003023494A1

Abstract

本发明使用上和下磁层的层叠磁层结构，该结构包括导致磁层的弱反铁磁耦合的AF间隔层，该弱反铁磁耦合不足以导致任一层翻转，因此两铁磁层的磁取向保持平行。本发明的优点在于AF耦合倾向于使两层中的噪声反相关。相信根据本发明的弱AF耦合在媒质中的转变边界处起作用从而导致一些噪声畴反平行取向，并且噪声与没有AF耦合的情况相比更少相关，从而实现改善的SNR。

Description

使用空间光调制器的改进方法和装置

本申请是申请日为2002年9月9日、申请号为02821827.2、发明名称为“使用空间光调制器的改进方法和装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种使用空间光调制器(SLM)的改进方法和装置，更具体地说，本发明涉及一种用于校准在空间光调制器中的多值元件的方法以及用于在安排在图像平面中的并对电磁辐射敏感的工件上形成图案的装置。

背景技术

平板印刷产品可用于集成电路、模板、标线片、平板显示器、微型机械或微型光学器件以及封装器件，例如引线框(leading frame)和MCM。平板印刷产品可以包括一个光学系统，用来将原始模型从由计算机控制的空间光调制器(这里为“SLM(Spatial Light Modulator)”)成像在一个工件上。合适的工件可以包括一个对电磁辐射，例如可见光或不可见光敏感的层。

所述计算机控制的SLM可以是空间光调制器(SLM)，其包括：可移动反射微型镜片(reflective movable micromirror)的一维或二维阵列或矩阵；透射LCD晶体的一维或二维阵列或矩阵；或基于光栅效应、干涉效应的其它相似的可编程的一维或二维阵列，或机械元件(例如，光闸(shutter))。

一般，这些计算机控制的SLM可以用于以各种方式形成图像。所述SLM包括许多调制元件(modulating element)，有时多达一百万个调制元件或更多。例如，SLM存在的一个问题是：一个给定SLM的各个元件很可能不会呈现出相同的特性；例如，它们可能具有不同的反射率，或它们可能对同等的控制信号却反应不同。计算机控制的SLM的各个元件的特性中的这些差异限制了它们用在光学成像中可以达到的分辨率和精确度；例如，对于其线条宽度和精确度，工件上印刷图案(printed pattern)的产品受到了限制。

因此，技术上需要一种方法能够补偿计算机控制的SLM，校正由于其各个元件的差异而导致的影响，以便改善它们在光学成像应用中的效用。

发明内容

从而，本发明的一个目的是通过提供一种用于确定计算机控制的SLM的各个元件对图像的形成做出的影响(contribution)的方法，来改善使用计算机控制的SLM形成的图像的精确度。使用SLM形成的图像的各个特征的精确度是由所述SLM的许多单个元件对所述特征做出的影响所产生的。因此，为了提高所述图像特征的精确度，需要控制由所述各个元件对所述图像特征所做出的影响。本发明还提供一种方法，用于有效地利用从确定所述SLM元件的影响中得到的结果，最终形成改善的图像。

本发明提供一种用于校准在空间光调制器(SLM)中的多值元件的方法，包括步骤：将SLM中的元件映射到检测器配置的相应元件；重复如下步骤：

为一组SLM中的元件设置多值控制信号以产生一个目标剂量；

通过在傅里叶平面上的空间滤波器将来自该组SLM中的元件的电磁辐射中继到检测器配置上，以便测量电磁辐射的剂量；

相应于在检测器配置处的测量剂量和目标剂量之间的具体差值，调整该组SLM中的元件的多值控制信号；和

当测量剂量和目标剂量之间的差值满足一个预定标准时，停止上述重复。

本发明还提供一种用于校准空间光调制器(SLM)中的相位调制元件的方法，包括步骤：将SLM中的元件映射到检测器配置的相应元件；重复如下步骤：

为一组SLM中的元件设置相位调制控制信号以产生目标剂量；

通过将相位调制辐射转换成振幅调制辐射的滤波器，将来自该组SLM中的元件的电磁辐射中继到检测器配置上，以测量电磁辐射的剂量；

相应于在检测器配置处的测量剂量和目标剂量之间的具体差值，调整该组SLM中的元件的相位调制控制信号；和

当在测量剂量和目标剂量之间的差值满足一个预定标准时，停止上述重复。

本发明还提供一种用于在安排在图像平面中的并对电磁辐射敏感的工件上形成图案的装置，包括：一个源，发射电磁辐射到物体平面；一个计算机控制的空间光调制器(SLM)，包括多个元件，适用于在所述物体平面接收所述电磁辐射，并向所述工件中继所述电磁辐射；以及一个光学投射系统，包括适用于在傅里叶空间中滤波所述中继后的电磁辐射的傅里叶滤波器和至少一个透镜配置，其中在所述计算机控制的SLM中的元件是根据上述本发明的方法校准的。

附图说明

为了对本发明及其优点有更完整的理解，将结合附图在下面进行说明，其中：

图1示意性地描述了在空间光调制器(SLM)中元件阵列的顶视图的一部分。

图2a说明了没有控制信号时的SLM元件的剖面图。

图2b说明了具有施加到所述元件上的未校准的控制信号时，与图2a中的元件相同的元件。

图2c说明了具有施加到所述元件上的校准的控制信号时，与图2b中的元件相同的元件。

图3是使用利用了发明方法的SLM的成像系统中主要元件的示意图。

图4a描述了由具有由同样的控制信号驱动的元件的SLM在用于测量电磁辐射的配置的元件上形成的剂量密度变化图(profile)20。

图4b说明了作为施加到所述元件的控制信号的函数的多个SLM元件的转移函数(transfer function)。

图5示意性地示出了由多个SLM元件在检测器配置的一部分元件上形成的剂量分布。

图6示出了在施加到SLM的元件上的控制信号和所导致的能量及电磁场振幅之间的关系。

图7是根据发明的一个实施例的流程图。

图8说明了在施加到元件上的控制信号和所检测到的剂量之间的关系的一个可能的反函数。

具体实施方式

参考附图在下面进行具体的描述。所描述的优选实施例是用来说明本发明，而不是限制其范围的，其范围是由权利要求书定义的。本领域的普通技术人员将从下面的描述中认识到各种同等的变化。

一个当前技术发展水平的SLM可以具有排列在一维或二维阵列或矩阵中的几百万个调制元件(即，元件)，例如，一个512×2048元件阵列。SLM的元件可以是可移动的微型镜片，透射LCD元件，或可以是基于光栅效应、干涉效应的其它相似器件的元件，或可以是诸如各个光闸的机械元件。每个SLM元件可以被设置成至少2种不同的状态。

图1说明在空间光调制器(SLM)中元件阵列200的一部分的顶视图。图1示出了具有近似正方形的形状的元件10。但是，该元件也可以具有任何形状，如矩形，多边形，圆形，椭圆形等。

图2a说明了如在图1中所示的空间光调制器(SLM)中的元件阵列200的一维。在这个实施例中，元件200包括可移动的微型镜片10、11、12、13、14、15、16，所述被排列的元件被可移动地连接到基层(substrate)300，该基层300包括用于所述可移动的微型镜片10、11、12、13、14、15、16的支持部分310、311、312、313、314、315、316和控制电极410、411、412、413、414、415、416。

通过在所述控制电极410、411、412、413、414、415、416上施加第一控制信号，例如第一电压，和在所述可移动的微型镜片10、11、12、13、14、15、16上施加第二控制信号，例如第二电压，所述微型镜片10、11、12、13、14、15、16可以绕被安装(连接？)到支持部分310、311、312、313、314、315、316的转轴所限定的偏转轴进行偏转。每个微型镜片的偏转的度数与所述控制电极410、411、412、413、414、415、416和所述可移动的微型镜片10、11、12、13、14、15、16之间的信号差有关，例如电压差。在图2a中所示出的图(为了清晰而稍有夸张)表示非静电吸引状态，在这种状态下没有将电压施加到控制电极410、411、412、413、414、415、416或可移动的微型镜片10、11、12、13、14、15、16。

图2a说明由于各种因素而造成可移动的微型镜片10、11、12、13、14、15、16的随机偏转配置。所述可移动的微型镜片10、11、12、13、14、15、16的偏转随机性可以被补偿。而且，可移动的微型镜片10、11、12、13、14、15、16的厚度和/或微型镜片的可选反射膜的厚度从一个元件到另一个元件都会有所不同，而这会依次影响可移动的微型镜片10、11、12、13、14、15、16的反射率。在各个微型镜片10、11、12、13、14、15、16之间的另一个差别是它们会对在所述可移动的微型镜片10、11、12、13、14、15、16和所述控制电极410、411、412、413、414、415、416之间的同等的电位差(potentialdifference)做出不同的反应。假设在所述可移动的微型镜片10、11、12、13、14、15、16和所述控制电极410、411、412、413、414、415、416之间有相同的电位差，具有较小的横截面积的转轴与具有较大的横截面积的转轴相比会产生更大的偏转。与基层和微型镜片之间的距离相同，微型镜片的不同的表面光滑度也会影响反射率。元件的尺寸差别也会影响反射率。

图2b说明如在图1中所示的空间光调制器(SLM)中的元件阵列的一部分的侧视图，其中一些元件受未校准的控制信号控制。

图2c说明如在图2a中所示的空间光调制器(SLM)中的元件阵列的一部分的侧视图，其中一些元件受校准的控制信号控制。

图3说明用于在工件60上形成图像的装置100的实施例。所述装置100包括：源10，用于发射电磁辐射；第一透镜配置50；计算机控制的SLM 30；电磁辐射调节器配置20；适当地位于傅里叶平面中的空间滤波器70；第三透镜配置40；工件60；第二透镜配置45；电磁辐射分裂器(splitter)90；和用于测量电磁辐射的配置65。电磁辐射分裂器90的功能可以由反射元件执行。可以独立执行或同时执行在工件60上形成SLM图像和在检测器配置65上形成SLM图像。

在图3中，源10可以以脉冲或连续的方式发射辐射。在辐射源10发射连续辐射的情况下，可以利用光闸由所述辐射形成脉冲辐射。所述光闸可以位于所述辐射源10和所述计算机控制的SLM 30之间的辐射路径上。在优选实施例中，辐射源10可以是发射248nm、大约10ns的脉冲宽度、和大约1000Hz的重复频率的脉冲的KrF受激准分子激光器(KrF excimer laser)。所述示例辐射源的重复频率可以低于或高于1000Hz。

在图3中，源10可以发射呈现单模或多模性质的辐射。在另一个实施例中，其中发射源10发射单模辐射，可不需要调节器配置20。

在图3中所示的所述电磁辐射调节器配置20可以包括一个孔。所述孔的大小可以改变以便控制照亮SLM 30的电磁辐射的相干长度(coherence length)(即，空间相干性)。在图3中所示的所述空间滤波器70可以改变以便控制在工件60或用于测量电磁辐射的所述配置65上形成的光学图像的分辨率。

在图3中，电磁辐射调节器配置20可以包括一个简单透镜，一个透镜的集合，其它光学部件，折射元件，或反射元件。电磁辐射调节器配置20将从辐射源10发射的辐射均匀地分布到计算机控制的SLM 30的表面的至少一部分上。在连续电磁辐射源的情况下，可以在所述计算机控制的SLM的表面上扫描来自所述源的所述辐射。

例如，在图3中，放置在辐射源10和计算机控制的SLM 30之间的所述调节器配置20可以改变来自照亮SLM表面的源10的电磁辐射的强度的均匀性。所述调节器配置20可以改变来自照亮SLM表面的源10的电磁辐射的面积(area)。所述调节器配置20可以控制来自照亮SLM表面的源10的电磁辐射的空间相干长度。

在根据图3的优选实施例中，所述辐射源10可以是具有近似矩形横截面的输出光束的受激准分子激光器。所述受激准分子激光器输出光束横截面可以具有非均匀的相干长度分布。所述受激准分子激光器输出光束可以以非均匀的方式发散(diverge)。所述受激准分子激光器输出光束横截面可以具有非均匀的强度分布。在所述优选实施例中，调节器配置20可以用来将照亮SLM的辐射的强度的非均匀性、相干性和相位性质控制在一个想要的精确性程度内。

在图3中，通过引导所述辐射通过第三透镜配置40、所述空间滤波器70和所述第一透镜配置50，由所述SLM调制的所述电磁辐射在工件60上形成一个图像。

在图3中，通过引导所述辐射通过所述第三透镜配置40、所述空间滤波器70和所述第二透镜配置45，由所述SLM调制的所述电磁辐射在所述辐射测量配置65上形成一个图像。

在图3中，电磁辐射分裂器90相对于所述透镜配置40、45、50和所述空间滤波器70的放置是任意的，可以找到各种合适的组合，包括不需要所述分裂器的一种。

在图3中，所述电磁辐射测量配置可以包括电荷耦合器件(CCD)摄像机，MOS摄像机，或电荷注入器件(CID)。

根据本发明的用于校准SLM的元件的方法开始于如在图2a所示的SLM，所述SLM具有需要确定其对图像形成的影响的元件。

可选地，该方法可以包括所述电磁测量配置的元件的剂量测量特性的校准。例如，所述测量配置可以包括能够测量电磁辐射剂量的特定工作范围的CCD摄像机。在这个例子中，最好由CCD摄像机测量的电磁辐射剂量在摄像机的最大输入范围的大约80％。当投射在CCD摄像机上的电磁辐射剂量太低时，信噪比在某些情况下不可接受的低。当投射在CCD摄像机上的电磁辐射剂量太高时，CCD摄像机会变得饱和。在任一种情况下，都可能导致不精确的测量。使用均匀的光源执行电磁测量配置的校准，以便确定在检测器的元件中存在的相关的灵敏性。

SLM的元件的校准开始于确定由从具有未控制的元件(即，没有施加控制信号)的SLM的一部分投射的辐射在所述辐射测量配置的元件的一部分上建立大约80％的水平所需要的电磁辐射剂量。我们可以调整电磁辐射源以便建立所述大约80％的剂量测量。所述剂量测量是由所有测量配置的被照亮的元件测量的剂量的计算平均值。例如，我们可以增加或减少所施加的脉冲的数目，并且我们也可以调整每个脉冲的剂量，来调整脉冲的电磁辐射源。同样的，我们可以在辐射源和CCD之间的辐射路径中插入一个衰减器来调整连续电磁辐射源。还可以通过改变激光器的输出功率或在激光器的输出路径中插入可变衰减器来改变剂量。重复对所述平均剂量的测量，直到已经获得来自SLM的所有元件的剂量影响并被包括在所述平均值中。

在通过来自允许值范围的一连串的值驱动每个元件的控制信号的同时，重复执行这个平均过程。对于一个给定的控制信号值，以上面的方式测量所有元件的剂量影响并计算平均剂量。

如此获得的平均剂量值包括由具有均匀的控制信号的SLM所做出的影响的平均转移函数。

接下来，相对于CCD的元件来映射SLM的元件。其目的是为了在SLM的元件和CCD摄像机的元件之间建立一种已知关系。例如，通过使用根据所述平均转移函数选择的第一控制信号值来有选择地驱动SLM的某些元件，同时使用根据所述平均转移函数选择的第二控制信号值来驱动SLM的所有其它元件，可以在所述辐射测量配置的元件上形成容易识别的图案。选择所述第一和第二控制信号值以便在测量的剂量之间获得一个想要的差值，因而为所述图案的识别设置一个对照。

以上述方式施加的一个或多个图案可以用来在SLM的元件和测量配置(例如，CCD)的元件之间建立关系。例如，在优选实施例中，可以根据公式y＝MSR(x-t)校正在所述配置上形成的图像的所述SLM和所述CCD之间的平移偏差(translation deviation)、缩放误差(scale errors)、镜像效应和旋转误差，其中y是CCD坐标，M＝镜像，S＝比例因子(scale factor)，R＝旋转，x＝SLM坐标，和t＝平移。Y是包含CCD元件坐标的矢量。比如M可以是2×2的单位矩阵或镜像矩阵。S可以是从1到无穷的范围内的任意数，但是最好在2和3之间。R可以是2×2矩阵，其中cos(a)在左上位置，-sin(a)在右上位置，sin(a)在左下位置，而cos(a)在右下位置，其中，a典型地为千分之几弧度。

在确定了在SLM的元件和辐射测量配置的元件之间关系的映射之后，我们可以进行对作为其控制信号的函数的、用于描述其剂量影响的SLM元件的转移函数的确定。具体地说，对于SLM阵列的想要的平均剂量值，我们可以进行建立提供给每个SLM元件的各个控制信号值，其使得受每个SLM元件影响的剂量在想要的精确性等级上相同。因而，对于所述想要的平均剂量值，存在用于SLM元件的一组唯一的控制信号值，这样该组控制信号用来获得想要的均匀剂量分布。在这个校准过程中，SLM的元件被有效地具体化。

多个该组控制信号建立用于所述SLM元件的剂量转移函数。

希望以一种有效率的方式确定为获得来自给定SLM元件的给定剂量所需的控制信号值。为了减少为每个元件找到正确的控制信号的步骤数目，对校准曲线求导数。随着在校准曲线上的已知点的数目增加，由于通过所述已知点增加了关于校准曲线的信息，为找到用于特定强度值的正确的控制信号的步骤减少了。

在本发明的优选实施例中，在CCD摄像机中不解析SLM中的单个元件。

其次，在CCD上测量在所述SLM中的元件群的精细网格(a finer grid)。在这一阶段，使用精细网格，在SLM中的每个元件群的元件数量可以是在每个群之间具有例如20个元件的3×3的阵列。

此后，在CCD上测量对在SLM中元件群的进一步精化，例如使用在其间具有10个元件的群中的单个元件。

作为对从SLM到CCD的映射的进一步精化，可以增加非线性校正。这是指y＝MSR(x-t)+非线性校正。这个非线性校正是例如通过给具有未知系数a-j的二阶多项式表达式赋值来计算的。这样的多项式表达式可以是：

nc_1＝ax(1)+bx(2)+cx(1)²+dx(2)²+ex(1)x(2)

nc_2＝fx(1)+gx(2)+hx(1)²+ix(2)²+jx(1)x(2)

其中nc_1是用于坐标x的非线性校正，而nc_2是用于坐标y的非线性校正。如果校正随着(x，y)变化，在这种情况下，通过使用最小二乘法拟合方法(leastsquare fit method)，依靠位置的非线性校正U可以拟合到函数(nc_1，nc_2)(x(1)，x(2))。

例如该摄像机为柯达(Kodak)KAF 1600摄像机，其具有大约1000*1600个元件并且对例如248nm或197nm的使用波长敏感。典型的，这包括使用荧光染料将辐射转变为可见光，但是也可以使用直接对短波长敏感的摄像机芯片，例如对248nm的短波长敏感。

在本实施例的下一个步骤，找到在CCD摄像机元件上使得达到预定强度值的SLM元件控制信号。确定给定SLM元件将会由CCD摄像机检测之后，可以有系统地使用由CCD摄像机测量的图像以便达到用于所有SLM元件的所述预定值。图4a说明CCD摄像机对来自未校准的SLM的典型投射电磁辐射的响应。垂直线25表示在相邻剂量测量元件之间的界线。图4a说明与期望值相比，具有更大剂量转移比率的一些元件和具有更小的转移比率的一些元件。使用在SLM的各个元件和CCD摄像机的一个或多个元件之间的映射，我们可以改变SLM镜片/元件的状态以获得一个均匀的剂量转移比率。

遵循一种迭代方法以连续地改变SLM镜片/元件的状态，以便获得对如此投射在CCD摄像机上的图像的测量。在步骤中所做的这些对元件状态的连续改变小于在预定(即，想要的)值和实际(即，测量的)值之间的差值。遵循这一过程以保证一种收敛方法。通过连续地重复其中改变了SLM元件的状态并且使用CCD摄像机测量了投射的SLM图像的迭代过程，对元件进行校准。可以确定对于如由CCD摄像机测量的任意的预定强度值，完成了SLM元件的校准。例如，通过使用SLM元件的测量剂量转移比率进行校准，能够建立任意水平的均匀性，直到由CCD摄像机测量的剂量值达到0.5％的标准偏差。

对预定串的不同剂量转移比率重复上面描述的过程，因此确定剂量转移比率为每个SLM元件的控制信号值的函数。

例如，上述方法能够用来确定SLM元件的最大和最小转移比率值。因此，可以建立SLM元件的公共最大和最小界线。通过建立作为SLM元件的控制信号的函数的转移比率确定了函数，并为所述函数建立了公共的最大和最小界线之后，然后我们可以找到定义了作为转移比率的函数的每个元件的控制信号的每个元件的反函数。因此，可以单独地控制SLM元件以便在公共的界限内提供一个想要的转移比率。

通过响应于每个元件的控制信号定义每个元件的转移函数，对一个想要的精确等级可以导出近似表达式。

图4b示出了作为控制信号的函数的多个SLM元件转移函数。期望每个SLM元件能够在定义一个相对最大剂量水平(即，“白”)和相对最小剂量水平(即，“黑”)的界线的公共范围内提供剂量影响。因此，在整个阵列中每个元件要求的动态响应范围被限制在阵列中其它元件可达到的水平，如在图4b中由线A和B所表示的。在某些元件不能够在所给出的公共动态响应范围内操作的情况下，我们可能必须排除使用所述有缺陷的元件。通过补偿它们在“黑”或“白”水平上的误差，一些或所有所述的有缺陷的元件可能仍然被利用。

在给SLM建立了“白”或“黑”水平的公共范围之后，我们可以执行在SLM阵列中的元件的校准以建立它们的各个控制信号对转移比率的函数；即，我们可以将控制信号建立为依赖于其剂量响应的函数。这将使我们能够将元件剂量影响控制在想要的精确性限制之内。可以利用各种方法来实现在这种方式下的SLM阵列中的元件的校准；例如，能够获得用于每个SLM元件的值的查找表，或能够获得近似每个SLM元件的响应函数的表达式。

可以要求变化数量的存储容量来保存获得的响应函数。所需的存储容量的数量可依靠于所选择的精确性的任意限制，还可以依靠于函数自身的表示方式。

最好最小化用来保存为SLM元件获得的校准所需的存储容量。这些校准结果可以包括SLM的公共范围值，SLM元件的各个校准函数和为获得改善的光学图像所需的其它参数的值。在保留有效地使用所述结果的能力的同时，可以采用各种技术来减少所述校准结果所需的存储容量。

图4b描述作为施加到所述元件上的控制信号的函数的多个测量的SLM元件响应的示例。在这个图中，水平线A和B指示表示可由所有元件达到的剂量水平的动态范围。

一种找到可用于将控制信号定义为元件响应的函数的表达式的方法是使用傅里叶方法的插值法(interpolation)。例如，使用四个参数校准每个元件。图8说明作为转移比率的函数的控制信号。在图8中，用垂直线表示公共的“黑”水平305和公共的“白”水平310。前两个插值参数是用由元件响应与“黑”和“白”水平305和310形成的交点315和320表示的控制信号和转移比率值定义的。所述交点315和320定义了一阶函数325。通过计算减少在响应函数330和线性函数325之间的差值的傅里叶系数可以获得附加的校准参数。

通过构造，函数325在交点315和320与函数330具有零差值。因此，足以使用作为显著地减少在函数330和函数325之间的差值的傅里叶展开的谐波项的sin(πx)和sin(2πx)。

因此，四个参数表示一个校准函数。两个校准参数描述函数325，和两个校准参数用作基准函数(basic function)sin(πx)和sin(2πx)的系数。这种校准表达式的例子可以是z＝a+bx+c(sin(πx))+d(sin(2πx))，这里a、b、c和d对于每个SLM的元件可以是唯一的，而sin(πx)和sin(2πx)可以对所有的元件都是公共的。以这种方式表示的校准结果能够被经济地存储。

在图8中，傅里叶方法的使用并不限制于上述的四个参数。傅里叶分量的任何组合都可以用来减少在函数325和函数330之间的差值。

具有M个元件的SLM可以有M个校准函数。每个校准函数展开成N个分量，产生了具有N×M维的矩阵A。基准函数可以是从矩形矩阵AA^t选择具有最大特征值的两个特征向量来获得的，其中t象征转置。使用所述矩形矩阵的特征向量，我们可以使用下面公式形成基准函数：

f_{n} (x) = \underset{i}{Σ} c_{n, i} \sin (iπx)

其中c_n，i是特征向量n的第i个元素。

以这种方式获得的基准函数可以拟合(fit)数据而没有平均或系统的误差。而且，虽然傅里叶基数的选择是无关紧要的，但是所述基准函数是像正弦的。

傅里叶方法和最小二乘法拟合是在上面公式的可用的校准过程中之一。通过傅里叶方法，通过积分可以找到系数，

c = {&Integral;}_{0}^{1} \sin (πx) e (x) dx = Σ_{n = 1}^{N} w_{n} e (b_{n}) \sin (2 π b_{n}) \sqrt{1 - b_{n}}

其中e(x)是在终点插入数据的直线之间的差值，w_n和b_n是来自求积分的加权和横坐标。还可以相似地求sin(2πx)的积分。通过Gauss-Chebyshev求积分来简单地求解这个积分。使用区间中的四个点这样少的点进行求积分能够产生满意的结果。

通过求解Ac＝Y，其中A是4×4矩阵并且Y是4×1向量，来找到校准系数(例如，a、b、c和d)。在这个例子中，矩阵有下面元素：

A_{ij} = \underset{m}{Σ} w (x_{m}) f_{i} (x_{m}) f_{j} (x_{m})

和

Y_{i} = \underset{m}{Σ} w (x_{m}) y_{m} f_{i} (x_{m})

其中Y_i是在归一化的转移比率值x_m处的控制信号，而w(x_m)是可以将其选择为同质(unity)的加权函数。两个函数f₁和f₂是常数函数和线型函数f(x)＝x。所使用的剩下两个函数是从sinc(x)函数中导出的。可以通过设置加权函数w(x)为同质来获得校准系数最小化方差(variance)。

两个基准函数的另一个例子是使用sin(πx)和sin(2πx)，因此获得类似于傅里叶展开的解。在基准函数的这个例子和前述的例子之间的区别在于它们的要求。在第一种情况下，傅里叶内插方法，在交点315和320处准确拟合的两个常数和线型函数325被用于插入校准数据。在第二种情况下，它们是通过最小二乘方算法自由选择的。因此，最小二乘法拟合产生最小的平均误差，而不需要在交点提供准确的拟合。

用于补偿的公式为

U(x)＝c₁+c₂x+c₃f₃(x)+c₄f₄(x)

每个元件有四个(4)唯一的系数和对所有元件都公共的2个支撑函数(supporting function)(f₃(x)和f₄(x))。这两个函数作为校准过程的结果能够被放到表中。参数x在这种情况下被归一化到范围(0..1)，尽管在最终实现中能够使用其它的归一化。

将元件补偿系数，例如每个元件32比特，所需要的存储和带宽最小化是有用处的。这将在补偿中引入“舍入(round off)”误差。例如，认为系数分别被舍入成9、9、7和7比特。首先通过下面公式将每组数转换到0..1范围内

X^{'} = \frac{x - \min (x)}{\max (x) - \min (x)},

(X′属于(闭合的)范围[0...1])

然后通过下面公式将其截位成N比特精度，来完成舍入：

x_b＝Round(X′2^N)/2^N(max(x)-min(x))+min(x)

函数“ROUND”简单地舍入成最接近的整数。“1/2^N”将结果转换回到[0..1]范围，并且最后的乘法恢复原始的校准参数，其具有N比特的精度。剩下的计算以浮点(64比特，IEEE)精度完成。对于本方法，为补偿分量存储9、9、7、7(用于常数的7比特，该常数与表中的函数相乘)比特并不总是最佳的选择。一旦基准函数变化了，则另一个存储可能将成为最佳的。仿真显示即使以这种方式选择存储仍然能够产生足够精确的结果。

在32比特的存储中，仍然会需要存储7比特的区域代码(area code)。测试显示分别具有7、7、5、6比特精度的系数的存储，产生用于区域代码的空间，仍然适于每个元件32比特的存储。

考虑到元件的老化，元件休息期(element rest period)之间的时间，元件休息期之间的元件循环数，或随时间改变的各个元件的其它特征，还可能为每个元件存储多于一组的系数。

例如，在图27中，系数的可替换的缩放影响所需要的计算。通过乘以范围(最大值-最小值)从存储的值中恢复系数使得在计算上耗费太大。如果该范围被由超过该范围的最接近的2的倍数所取代，那么系数能够用牺牲了某些精确性的简单的位移操作来恢复。恢复系数的两种可选方法为：1)如前所述，乘以缩放后的值以恢复从最大值到最小值的范围；和2)如上所述，但是要排除各个元件的最小的和最大的值。(关于这一方法的变化包括只排除最小的值或只排除最大的值，或排除各个元件的多个最小的或最大的值。)排除无关的值有一种效果，那就是两个这样的值不会落到范围0...1-2^-n中。如果是这样的情况，排除的值分别存储为0和2^-n。当潜在地具有更有效率地存储剩下的系数的可能性时，第二个过程会对排除的元件(例如，1000个元件中的两个)的补偿误差引入实质性的误差。下表展示了各种方法的仿真误差。第一种可选的缩放方法称为“All”而第二种为“loose2”。

方法

无舍入

最佳

All

Loose2

标准偏差

0.13％

0.23％

0.32％

0.25％

如表所示，“loose2”平均起来几乎有和“最佳”一样的精确度，但是一些元件有5％大小的补偿误差，而“all”以平均误差的代价使所有元件的补偿误差保持在低于1.5％。

根据系数的分布能够为系数c1..c4选择不同的缩放方法。例如，在仿真中，大多时候c1是正态分布，所以排除0.2％的极值校准系数不会很大地改变范围。在同一个仿真中，c4有一些极值并且排除它们似乎提高剩下的值的存储效率。

图7说明发明一个示例性的实施例，其中电磁辐射被投射在至少一部分SLM上。例如，辐射源可以是连续的或脉冲的激光器。在投射了所述电磁辐射的SLM的部分上执行所述校准。电磁辐射可以被投射在SLM区域的任何部分；例如，可能是十分之一，一半或任何其它的部分，包括SLM的全部区域。

接下来从SLM的所述部分形成在检测器配置上的图像。例如，所述检测器配置可以是CCD摄像机，MOS摄像机，或电荷注入器件。在所述形成的图像中，由于在SLM中的元件的不同的状态和特性，会出现具有强度的变化量的区域；例如，它们各自的偏转和反射率可能不同。在检测器上形成的SLM的图像对应于在工件60上的图像。

此后，当在所述检测器配置上测量来自所述各个元件的强度时，在SLM的所述部分中的至少两个元件的状态根据一连串的所施加的控制信号而变化。例如，所述的至少两个元件可以是子矩阵，其中在子矩阵中的元件可以被处在非寻址(non-addressed)状态的元件分开，即被没有施加控制信号的元件分开。

以这种方式，使用由作为施加的元件控制信号的函数的强度值形成的测量值来计算在SLM的所述部分中的所有元件的校准函数。对SLM的所有区域重复上面过程直到SLM的所有元件都被校准了。

或者，所述检测器配置(例如，CCD摄像机)可以先于其用于SLM元件校准而被校准。所述检测器配置的在先校准可以通过在所述检测器上投射具有已知特性(例如，大约具有想要的波长的)的电磁辐射来执行。所述在先校准电磁辐射源可以包括放电管和干扰滤波器，其被选择来提供大约具有用于形成SLM图像的电磁源的波长的窄波长范围。所述在先校准包括：响应于所述在先校准源的投射，测量由在检测器配置中的每个元件检测到的强度。所述检测器配置的在先校准允许对由检测器配置的元件测量的强度值的补偿；即，在所述优先校准之后，测量的强度的精确度将得到提高。

可以选择包括至少两个元件的子矩阵以同时实现元件校准，因此避免必须顺序地校准所述SLM的每个单独的元件。要校准的SLM元件不是彼此相邻的而是选择有一定间隔的，这样它们在检测器配置上的各自的图像能够以任意的精确度等级被同时测量。例如，在所述子矩阵中的所述至少两个元件可以在每个方向上相互相隔5个元件，也可以采用其它数量的间隔。在所述子矩阵中的元件所测量的辐射强度的所述任意精确度等级可以被建立来达到想要的图像形成质量。

图5示意性地示出了由SLM的各个元件投射在检测器配置250中的元件上的能量分布275的顶视图。所述投射在检测器配置元件上的能量能够具有高斯分布(Gaussian distribution)的形式。在图5中，所述高斯分布用圆示意性地表示，其中如在每个高斯分布的中心那样的非常靠近的圆表示较高的能量，而较宽间隔的圆表示较低的能量。图5表示在检测器配置250上沿着水平轴的高斯分布间隔与同样的分布沿着垂直轴的间隔相比要宽一些。在图5中高斯分布的中心之间的距离在水平方向上是5个检测器配置元件，而同样的高斯分布之间在垂直方向上的距离是4个检测器配置元件。

可选地，在SLM中的元件与在CCD摄像机中的元件相映射以建立在SLM中的元件和在所述CCD摄像机中的元件之间的已知关系。在这个映射步骤中，来自SLM中的元件的辐射强度的中心可以基本上对准在所述CCD摄像机中的元件的中心。0.5个元件的级别的对准误差(alignment error)就会导致校准算法在图像中产生寄生图像。如对前一个实施例进行的描述，可以通过测量在CCD上的点(spot)的中心来执行这一步骤，并通过平移(translation)、放大和/或旋转调整在CCD上的SLM图像的位置，以拟合在CCD上的元件。

或者测量在CCD上点的位置并为每个元件计算一个区域，以便计算机能够将在CCD上的一个特定位置上的图像分配给相应的SLM元件。

或者，首先在所述CCD摄像机上测量在所述SLM中的少数几个元件的粗网格(coarse grid)，例如可以选择一些元件，例如5乘5个元件的群(cluster)，来开始，从而在CCD上给出一个独特的信号。所述5乘5个元件的群从矩形SLM区域中的一个角移动到另一个角。在群中的元件被设置成与附近的未寻址的元件不同的值。

在这个阶段在CCD上的图像可以校正在所述SLM和所述CCD之间的平移偏差，即缩放误差，旋转误差等。在本发明的优选实施例中，在CCD摄像机中不解析在SLM中的单个元件。

其次，在CCD上测量在所述SLM中的元件群的精细网格，以便定位在SLM中的哪个元件将在CCD上创建强度值，以及在哪里创建。在这一阶段，通过使用精细网格，将SLM中的每个元件群中的元件数量减少到3乘3个元件，在每个群之间有例如10个元件。

此后，在CCD上测量在SLM中的元件群的网格的进一步精化，这时，例如使用其间有5个元件的SLM中的单个元件。

作为进一步的改进，对相对于CCD元件网格的点位置的校正可以用于去除或减少由于在CCD元件之间的不敏感区域而造成的Moiré效应或相似效应。可以调整或不调整在投射系统中的放大，以便使用CCD上的元件图案来调整子矩阵的图像，例如CCD可以具有一个元件/SLM中的两个元件，或另一个比率关系。CCD元件一般具有100000个电子的容量。在由几个元件形成的测量区域，容量可能由于表示元件数量的数字因素而更大，例如在图5中的4或16。在一个区域中的典型的电子的数量是200000个，并且这个数字具有一个统计分布(泊松分布)。为了平均这个随机效应以及其它随机性，每次测量都要重复N次。同时，如果在N次测量期间图像在CCD摄像机上移动，就能够平均Moiré效应。

例如CCD摄像机为柯达(Kodak)的KAF 1600摄像机，其具有大约1000*1600个元件，并且对例如248nm或197nm的使用波长敏感。典型的，这包括使用荧光染料将辐射转变为可见光，但是也可以使用直接对短波长敏感的摄像机芯片，例如对248nm的短波长敏感。

为了校准在SLM的照亮部分中的所有的元件，所述至少两个元件在同时变化并将其驱动到一连串的所施加的元件控制信号。现在我们知道了在CCD上的剂量是每个元件控制信号的函数。使用剂量是每个元件的所施加的电压的函数的知识，从测量的强度数据计算表示在检测器配置上的电磁辐射的平均零强度的状态。

此后，将至少与所述于矩阵中的元件最邻近的元件安排在所述计算的状态下。

如图2a所示，处于静电不吸引状态的元件10、11、12、13、14、15、16可能会处于一种随机的偏转状态，并因此可能会影响在特定CCD摄像机元件的辐射强度，并且因此减少了测量强度的精确性。为了消除或至少减少在测量的强度中来自特定SLM元件的不精确性，至少将与SLM的所述部分中的所述至少两个元件最接近的SLM元件安排在所述计算的状态下。

不仅将与所述SLM中的所述至少两个元件最邻近的元件设置到所述计算的状态，而且最好将除了在所述SLM中的所述至少两个元件以外的所有元件都设置到所述计算的状态。

此后，当至少将与在SLM中所述至少两个元件最邻近的元件设置到所述计算状态的同时，在测量电磁辐射的强度时，将所述SLM中的每一次至少两个元件再次驱动到一连串施加的元件控制信号。在第二次完成对在SLM的所述部分中的所有元件的校准之后，从第二次测量的强度数据中为每个元件计算一个新的状态，其相应于在检测器配置上的电磁辐射的平均零强度。重复这一过程直到例如测量强度的标准偏差低于0.5％。

在所述CCD摄像机中测量在所述子矩阵中的元件的强度。因为每次只有一个子矩阵变化，所以CCD摄像机不必解析单个元件。可以从测量结果推断单个元件的变化。可以选择子矩阵的密度，以使得在CCD上的点基本上不重叠。CCD可以具有与SLM同样数目的元件，或者也可以具有与SLM的数目不同的元件。假若周围的SLM元件不变化，就假定在一个特定区域中的CCD摄像机图像中的光是来自SLM中的一个元件。

可选地，可以执行对在不同的电磁辐射脉冲中的能量变化的补偿。可以通过使用脉冲激光器照亮在所述SLM中的所述元件子矩阵，以及测量和计算来自一个或多个激光脉冲的强度，以及对测量的脉冲能量校正测量的CCD数据，来执行元件的校准。

可以在所述电磁辐射的傅里叶滤波之后，执行在用于测量电磁辐射的强度的器件上来自元件的所述子矩阵的电磁辐射的所述投射。在图3a中，光束分裂器90被安排在空间滤波器70和第一透镜配置50之间。

在对于施加到元件的给定电压测量了在所述子矩阵中的所述元件的强度之后，改变施加到所述子矩阵中的元件的所述电压，并且对于多个不同的电压，重复该过程。例如可以将从最大值到最小值的强度分为65个值。在将所有的不同电压施加到元件的子矩阵之后，对于所有的子矩阵200重复该过程，以便覆盖在其上投射了电磁辐射光束的SLM的所述部分。子矩阵可以将图案从所述元件的2维阵列中的一个位置变换到另一个位置，或不变换位置。代替首先重复改变特定子矩阵的控制信号并一个子矩阵接另一个子矩阵这样做的，或者首先对一个给定控制信号值处理所有子矩阵，并对所有的控制信号重复这一过程，即可以交换在图7中示出的控制信号/电压和矩阵的顺序。

将辐射光束投射在SLM的其它部分上以便校准在所述SLM中的所有元件。最好使用同样尺寸的光束，但是可以根据覆盖SLM部分的不同尺寸的结果，来改变光束的尺寸。

产生元件校正数据可以通过下面方法来进行，通过为数据库中的每个元件存储用于给定控制信号的每个强度值，该控制信号在这种情况下是在镜片和地址/控制电极之间的电位差，或最好通过将作为施加在所述元件上的电压的函数的测量强度变换为转移函数。所述转移函数最好是对于每个元件都相等的公式C1+XC2+C3T3(X)+C4T4(X)。用于计算常数C1、C2、C3和C4的过程可以与前一个实施例中所述的过程相似的过程。用于找到基准函数的过程也可以是与前一个实施例中所述的过程相似的过程。例如，C1+xC2是直线的公式，在这种情况下T3(x)和T4(x)为两个表函数(tabulated function)。能够选择T3和T4，从而该公式给出了对所有元件的足够的描述。

图4b示意性地表示根据本发明的用于校准在空间光调制器(SLM)中的元件的方法的另一个实施例的流程图。

在图6中示出了在检测器配置上的测量强度和为在SLM中的元件施加的元件控制信号之间的关系的一个典型的例子，这由曲线275来说明的。在同一个图6中，曲线260表示作为施加的元件控制信号的函数的电磁场的振幅。在强度曲线275和振幅曲线260之间的关系是强度曲线275为振幅曲线260的平方。

例如，强度曲线可以近似于一个(sin/x)²函数，而振幅曲线则是一个sin/x函数。

确定单个元件的最佳零强度的另一种方法是使用上述事实，即强度曲线可以近似于(sin/x)²函数。如果测量了275的局部最大值(local maximum)，可以用所述函数简单地计算出局部最小点。由于总是存在的噪声使得在CCD摄像机中最小点处的信号模糊的事实，局部最大值比实际最小点更容易测量。然而，这种情况不适用于在强度曲线的这个特定点处的局部最大。

已经发现点295(图6)是一个比260更稳定的背景。在一个优选实施例中，使用点295而不是260作为对未寻址的元件的控制。295和260都能够通过对点291、292、293、294、296、297的测量和将数学函数a(sinbx/bx)²+C拟合到这些点来确定。C是可以来自例如在测量系统中的杂散光的常数背景强度。A和b是拟合常数。或者从291、292、293、294、296、297中计算点281、282、283、284、286、287，并将其拟合到函数a’(sinb’x/b’x)²+c’，其中a’、b’和c’是拟合常数。在260或295周围拟合了函数之一之后，可以从所述拟合的函数计算所述点的确切位置。

当前述的例子根据方法进行时，采用这一方法的器件和系统是容易理解的。包含能够实践所要求的方法的程序的一个磁存储器就是一件这样的器件。具有装载了实践所要求的方法的程序的存储器的一个计算机系统是另一个这样的器件。

当通过参考上面详细的优选实施例和例子公开了本发明时，应当理解这些例子是用来说明而不是用来限制。能够预见对本领域的技术人员来讲，可以容易地进行修改和组合，而这些修改和组合是在本发明的精神和下列权利要求的范围中。

Claims

1. 一种用于校准在空间光调制器SLM中的多值元件的方法，包括步骤：

将SLM中的元件映射到检测器配置的相应元件；

重复如下步骤：

为一组SLM中的元件设置多值控制信号以产生一个目标剂量；

2. 根据权利要求1所述的方法，其中对至少三个目标剂量值进行所述各步骤的重复。

3. 根据权利要求2所述的方法，其中选择至少两个目标剂量值以设置元件的测量剂量的动态范围。

4. 根据权利要求1、2或3所述的方法，还包括从调整的控制信号和目标剂量值中计算元件校准数据。

5. 根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：

还包括对SLM中的其它组元件重复所述方法的所有步骤。

6. 根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：

相对于检测器配置中的元件映射SLM中的元件。

7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述检测器配置是CCD摄像机

8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁辐射是脉冲激光。

9. 根据权利要求1或2所述的方法，其中所述测量值存储在查询表中

10. 一种用于校准空间光调制器SLM中的相位调制元件的方法，包括步骤：

将SLM中的元件映射到检测器配置的相应元件；

重复如下步骤：

为一组SLM中的元件设置相位调制控制信号以产生目标剂量；

11. 根据权利要求10所述的方法，其中对至少三个目标剂量值进行所述各步骤的重复。

12. 根据权利要求11所述的方法，其中选择至少两个目标剂量值以设置元件的测量剂量的动态范围。

13. 根据权利要求10、11或12所述的方法，还包括从调整的控制信号和目标剂量值中计算元件校准数据。

14. 根据权利要求10所述的方法，还包括步骤：

还包括对SLM中的其它组元件重复所述方法的所有步骤。

15. 根据权利要求10所述的方法，还包括步骤：

相对于检测器配置中的元件映射SLM中的元件。

16. 根据权利要求10所述的方法，其中所述检测器配置是CCD摄像机。

17. 根据权利要求10所述的方法，其中所述电磁辐射是脉冲激光。

18. 根据权利要求10或11所述的方法，其中所述测量值存储在查询表中。

19. 一种用于在安排在图像平面中的并对电磁辐射敏感的工件上形成图案的装置，包括：

一个源，发射电磁辐射到物体平面；

一个计算机控制的空间光调制器SLM，包括多个元件，用于在所述物体平面接收所述电磁辐射，并向所述工件中继所述电磁辐射；以及

一个光学投射系统，包括适用于在傅里叶空间中滤波所述中继后的电磁辐射的傅里叶滤波器和至少一个透镜配置，其中在所述计算机控制的SLM中的元件是根据权利要求1所述的方法校准的。