專利名稱：一種全息光柵制作中的實時潛像自監(jiān)測用的光學(xué)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全息光柵制作中的實時潛像自監(jiān)測用的光學(xué)方法，尤其是涉及一種廣泛應(yīng)用于光譜儀器、測量、光學(xué)信息處理和光通訊等領(lǐng)域的全息光柵制作中的實時潛像自監(jiān)測用的光學(xué)方法。
光刻膠對全息干涉條紋曝光，感光劑發(fā)生光化學(xué)分解反應(yīng)；不同空間位置的膠層吸收的曝光量不同，其折射率和吸收系數(shù)產(chǎn)生程度不等的微小的變化，形成潛像；潛像光柵的位相調(diào)制深度隨曝光時間增長而先增后減，因此需要對曝光過程進行實時監(jiān)測以獲得最佳曝光量。由于產(chǎn)生的潛像光柵的位相調(diào)制深度總是非常淺的，衍射效率非常低，實時監(jiān)測非常困難，人們一般離線地(非實時地)探測已經(jīng)曝光但還沒有顯影的光刻膠樣片中的潛像衍射強度，參見文獻Latent Image Diffraction from Sub-Micron Photoresist Gratings，E.Yoon，C.A.Green，R.A.Gottscho，T.R.Hayes，and K.P.Giapis，J.Vac.Sci.Technol.B10，2230(1992)；文獻Use of diffracted light from latent images to improve lithographycontrol.Hickman KC. Gaspar SM. Bishop KP. Naqvi SSH. McNeil NR.Tipton GD.Stallard BR.Draper BL.Journal of Vacuum Science & Technology B，vol.10，no.5，Sept.-Oct.1992，pp.2259-66；文獻Bishop；Kenneth P.；Brueck；Steven R.J.；Gaspar；Susan M.；Hickman；Kirt C.；McNeil；John R.；Naqvi；S.Sohail H.；Stallard；BrianR.；Tipton；Gary D.Diffracted light from latent images in photoresist for exposurecontrol.United States Patent5,674,652.；已報道的潛像實時監(jiān)測的文獻如Real-timelatent image monitoring during holographic fabrication of submicron diffractiongratings.Gregus JA.Green CA.Yoon E.Ostermayer FW.Hayes TR.Pawelek R.Gottscho RA.Sohail S.Naqvi H.Journal of Vacuum Science & Technology B，vol.11，no.6，Nov.-Dec.1993，pp.2468-72和文獻Use of real-time latent images to write longholographic diffraction gratings in photoresist.Napier BR.Phillips NJ.SPIE-Int.Soc.Opt.Eng.Proceedings of Spie-the International Society for Optical Engineering，vol.3011，1997，pp.182-93.，這些實時監(jiān)測系統(tǒng)需要外加一個復(fù)雜的監(jiān)測系統(tǒng)。為了得到比較強的衍射光，通常采用短波長的激光進行監(jiān)測；由于光刻膠對短波長吸收很強，必須把監(jiān)測用的入射光衰減到安全的能量強度；為了探測這樣弱的信號，還加上斬波器對信號進行調(diào)制，但一般衍射效率只能達到10-6～10-7的量級，這使得入射光和衍射光的方向難以確定，實際操作非常不便，而且對背景光和激光輸出功率的波動顯得比較敏感。所以此前的潛像實時監(jiān)測方法復(fù)雜昂貴、操作困難而且所獲得的監(jiān)測曲線特征不夠明顯，并且基本上還處于實驗室探索階段，尚不具備實用性。另外，到目前為止，大幅度提高全息光柵的槽形質(zhì)量和生產(chǎn)效率的技術(shù)未見報道。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的一種全息光柵制作中的實時潛像自監(jiān)測用的光學(xué)方法，其特征之一在于它把作用于全息光柵的光強任意的干涉記錄光束同時作為實時潛像自監(jiān)測用的入射光束，當(dāng)入射光束的波長與光柵的周期比值 時，光柵存在多個傳播衍射級次，對其中傳播出系統(tǒng)之外的任意級次的潛像自衍射Ir2和Il1的傳播方向上的光束經(jīng)準(zhǔn)直和光電倍增后進行實時自監(jiān)測。所述方法是在全息干涉系統(tǒng)潛像自衍射Ir2和Il1的傳播方向上加上一個準(zhǔn)直透鏡，其焦面上放置一個光電倍增管對會聚光的能量進行探測，然后將信號傳給記錄儀即可實現(xiàn)對潛像進行實時自監(jiān)測。
本發(fā)明提出的一種全息光柵制作中的實時潛像自監(jiān)測用的光學(xué)方法，其特征之二在于它把作用于全息光柵的光強任意的干涉記錄光束同時作為實時潛像自監(jiān)測用的入射光束，當(dāng)入射光束的波長與光柵的周期比值 時，光柵存在多個傳播衍射級次，對其中按原路返回的自準(zhǔn)直級次經(jīng)濾波、準(zhǔn)直和光電倍增后進行實時自監(jiān)測。所述方法是將左右路記錄光束Il和Ir分別產(chǎn)生的沿兩個方向傳播并按原路返回到針孔濾波器的位置并重合為一點的四個衍射級次Il0，Ir1，Il-1和Ir0經(jīng)平面反射鏡分離出需要探測的任意一個級次，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡以及放置在焦面上的對會聚光的能量進行探測的光電倍增管，由記錄儀接收該光電倍增管輸出的被探測的潛像自衍射信號實現(xiàn)對潛像進行實時自監(jiān)測。
本發(fā)明提出的一種全息光柵制作中的實時潛像自監(jiān)測用的光學(xué)方法，其特征之三在于它把作用于全息光柵的光強任意的干涉記錄光束同時作為實時潛像自監(jiān)測用的入射光束，當(dāng)入射光束的波長與光柵的周期比值 時，光柵存在兩個傳播的衍射級次，對按原路返回的自準(zhǔn)直級次經(jīng)濾波、準(zhǔn)直和光電倍增后進行實時自監(jiān)測。所述方法是將左右路記錄光束Il和Ir分別產(chǎn)生的沿兩個方向傳播并按原路返回到針孔濾波器的位置并重合為一點的四個衍射級次Il0，Ir1，Il-1和Ir0經(jīng)平面反射鏡分離出需要探測的任意一個級次，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡以及放置在焦面上的對會聚光的能量進行探測的光電倍增管，由記錄儀接收該光電倍增管輸出的被探測的潛像自衍射信號實現(xiàn)對潛像進行實時自監(jiān)測。
由于本發(fā)明將監(jiān)測系統(tǒng)和全息干涉曝光系統(tǒng)前后耦合成一個完整的光學(xué)系統(tǒng)，使用同一個相干光源，整個系統(tǒng)簡潔而容易實現(xiàn)，化解了兩路激光同時控制的困難；光柵基片和記錄光束的空間相對位置是固定的，則潛像自衍射級次傳播方向也是固定的，這保證了被實時監(jiān)測的自衍射級次方向非常容易確定，使得操作方便、信號容易對準(zhǔn)。
本監(jiān)測方法不需專門的監(jiān)測用激光器，沒有復(fù)雜的監(jiān)測光路，也沒有必要對監(jiān)測用的入射光束進行“預(yù)處理”(包括能量衰減和信號調(diào)制，以及單獨的快門控制等)——系統(tǒng)本身實現(xiàn)“自監(jiān)測”，簡化了整個監(jiān)測系統(tǒng)，大幅度地降低了設(shè)備成本并提高了可操作性。由于全息光柵的干涉記錄光束同時作為實時潛像監(jiān)測的入射光束，所以入射光強(干涉光束的光強)不受任何限制；另外，準(zhǔn)直鏡對自衍射的平行光會聚，產(chǎn)生面積積分的效應(yīng)，正是這兩點從根本上保證了能被探測的潛像自衍射信號具有很高的能量密度——解決了信號弱探測難，及特征點不明顯的問題。由于上述原因，本監(jiān)測方法中也沒有必要專門的鎖環(huán)放大器；對于不同面積的基片，只需把記錄儀的擋位調(diào)到適當(dāng)位置即可得到良好的輸出信號。進入探測光路的大部分雜散光的傳播方向和被探測的自衍射級次方向不同，則經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡，它們將聚焦于PMT探測面(被放置在準(zhǔn)直鏡的后焦面上)之外，所以系統(tǒng)具有較好的抗噪聲能力。
使用這種實時的潛像自監(jiān)測系統(tǒng)，能夠獲得特征非常明顯的實時監(jiān)測曲線；這種技術(shù)能靈敏和客觀地探測出樣片之間個性差異導(dǎo)致的最佳曝光量的漂移，所以能對其進行補償；使用這種技術(shù)，可以充分利用光刻膠的非線性效應(yīng)制作出非正弦的全息光柵槽形——梯形或矩形；大幅提高了全息光柵的溝槽質(zhì)量、成品率和生產(chǎn)效率，而且可以顯著縮短新工藝的研究周期。
圖2a為本發(fā)明當(dāng) 時全息光柵制作中對其中傳播出系統(tǒng)之外的任意級次實現(xiàn)自監(jiān)測的實時潛像自監(jiān)測裝置。
圖2b為本發(fā)明當(dāng) 時全息光柵制作中對其中按原路返回的自準(zhǔn)直級次進行監(jiān)測的實時潛像自監(jiān)測裝置。
圖2c為本發(fā)明當(dāng) 時全息光柵制作中對其中按原路返回的自準(zhǔn)直級次進行監(jiān)測的實時潛像自監(jiān)測裝置。
圖3為本發(fā)明實時監(jiān)測曲線特征分析圖。它是一次全程實時潛像自監(jiān)測曲線，縱坐標(biāo)是左干涉光束的“一級自衍射”能量，橫坐標(biāo)是曝光時問，根據(jù)其特性可把整個曲線分為4個區(qū)水平預(yù)曝光區(qū)，如圖AB段；線性上升區(qū)，如圖BC段；水平飽和區(qū)，如圖CE段；線性下降區(qū)，如圖EF段。
圖4a為樣片1的實時潛像自監(jiān)測曲線圖。
圖4b為樣片1的實時潛像自監(jiān)測掃描電子顯微鏡照片。
圖5a為樣片2的實時潛像自監(jiān)測曲線圖。
圖5b為樣片2的實時潛像自監(jiān)測掃描電子顯微鏡照片。
圖6a為樣片3的實時潛像自監(jiān)測曲線圖。
圖6b為樣片3的實時潛像自監(jiān)測掃描電子顯微鏡照片。
圖7a為樣片4的實時潛像自監(jiān)測曲線圖。
圖7b為樣片4的實時潛像自監(jiān)測掃描電子顯微鏡照片。
圖8a為樣片5的實時潛像自監(jiān)測曲線圖。
圖8b為樣片5的實時潛像自監(jiān)測掃描電子顯微鏡照片。樣片1、2和后三塊樣片之間厚度不同，后三塊樣片厚度相同，每個樣片到達潛像自監(jiān)測曲線的特征點C的時間和幅值都不相同，但都在緊接特征點C后停止曝光，光柵槽形都接近矩形，槽底干凈無殘膠。
本發(fā)明提出的全息光柵制作中的實時潛像自監(jiān)測用的光學(xué)方法之二是，它把全息光柵的光強任意的干涉記錄光束同時作為實時潛像自監(jiān)測用的入射光束，當(dāng)入射光束的波長與光柵的周期比值 時，光柵存在多個傳播衍射級次，對其中按原路返回的自準(zhǔn)直級次進行監(jiān)測如圖2b所示，由于任意一個準(zhǔn)直和全息干涉光學(xué)系統(tǒng)(4)的左右路記錄光束Il和Ir分別產(chǎn)生的沿兩個方向傳播的四個衍射級次Il0，Ir1，Il-1和Ir0按原路返回到針孔濾波器(5)的位置并重合為一點，經(jīng)平面反射鏡(6)和準(zhǔn)直透鏡(1)以及放置在焦面上的對會聚光的能量進行探測的光電倍增管(2)，由記錄儀(3)接收被探測的潛像自衍射信號實現(xiàn)對潛像進行實時自監(jiān)測。
本發(fā)明提出的一種全息光柵制作中的實時潛像自監(jiān)測用的光學(xué)方法，其特征之三在于它把全息光柵的光強任意的干涉記錄光束同時作為實時潛像自監(jiān)測用的入射光束，當(dāng)入射光束的波長與光柵的周期比值 時，光柵存在兩個傳播的衍射級次，對按原路返回的自準(zhǔn)直級次進行監(jiān)測如圖2c所示，將任意一個準(zhǔn)直和全息干涉光學(xué)系統(tǒng)(4)的左右路記錄光束Il和Ir分別產(chǎn)生兩個方向傳播的四個衍射級次Il0，Ir1，Il-1和Ir0按原路返回到針孔濾波器(5)的位置并重合為一點，再經(jīng)平面反射鏡(6)和準(zhǔn)直透鏡(1)以及放置在焦面上的對會聚光的能量進行探測的光電倍增管(2)，由記錄儀(3)接收被探測的潛像自衍射信號實現(xiàn)對潛像進行實時自監(jiān)測。
潛像自衍射級次和方向的確定如果使用波長λ＝441.6nm的HeCd激光器，制作1200lp/mm的全息光柵，對應(yīng)的干涉半角|θ|≈15.36°。潛像對干涉記錄光束自衍射的可能級次和方向推導(dǎo)如下兩個平面波干涉產(chǎn)生的全息光柵的周期為，d=λ2sin|θ|---(1)]]>上式說明，波長為λ的兩束夾角為2θ的平行光干涉，產(chǎn)生周期為d的干涉條紋。由于周期為正值，所以角度θ取絕對值(相對于有正負(fù)符號定義的衍射角來說)。
斜入射時，光柵方程為sinβ=sinθ+mλd---(2)]]>根據(jù)(2)式和(3)式，對于右路光束，θ＜0，若依次取mr＝0，1，-1，2，對應(yīng)的衍射角分別為βr＝-15.36°，15.36°，-52.64°，52.64°；對于左路光束，θ＞0，若依次取mr＝-1，0，-2，1，對應(yīng)的衍射角分別為βr＝-15.36°，15.36°，-52.64°，52.64°。
在本干涉系統(tǒng)中，潛像對左右記錄光束分別只能產(chǎn)生四個衍射級次，由于兩束干涉光對于潛像光柵的平面是左右對稱的兩束入射光，它們對應(yīng)的兩組衍射光的空間分布也是對稱的，而且兩兩成對出現(xiàn)、傳播方向相同。其中前兩對形成自準(zhǔn)直光，沿干涉光路返回針孔位置；后兩對傳播出系統(tǒng)之外，可以方便地被探測。由于對稱性，后兩組的能量也是對稱的(假設(shè)左右路光束的光強相等)，任選其一探測即可。
需要指出的是，潛像的自衍射光只有在反射半空間能夠維持特定的傳播方向，在潛像光柵的透射方向，由于光刻膠、基底材料的散射，自衍射光的特定傳播方向被破壞，成了彌散狀態(tài)的散射光，或者基底材料本身不透光，是無法用于監(jiān)測的。
監(jiān)測曲線主要特點及最佳曝光區(qū)的確定使用這種自監(jiān)測技術(shù)，能夠獲得特征非常明顯的實時監(jiān)測曲線，如圖3所示，這是一次全程實時潛像自監(jiān)測曲線，光刻膠的初始厚度約為0.6um，縱坐標(biāo)是左干涉光束的“一級自衍射”能量，橫坐標(biāo)是曝光時間，根據(jù)其特性可把整個曲線分為4個區(qū)(1)水平預(yù)曝光區(qū)，如圖AB段；(2)線性上升區(qū)，如圖BC段；(3)水平飽和區(qū)，如圖CE段；(4)線性下降區(qū)，如圖EF段。
實驗證明，最佳曝光區(qū)在水平飽和區(qū)的上升沿，圖中CD段。這是潛像自監(jiān)測技術(shù)實施中的判斷法則。根據(jù)記錄儀輸出曲線的特征點，就可對曝光量進行精確地控制。
梯形或矩形全息光柵的制作使用Shipley S1805光刻膠，光刻膠初始厚度控制在0.46～0.75um不等，Shipley 351顯影液和去離子水的體積稀釋比率為1∶4。由于曝光和顯影之間存在一定的補償關(guān)系，所以對于不同的曝光量使用相同的顯影時間是不合理的，為此，對顯影也采用已有技術(shù)的實時監(jiān)測的方法，一般在顯影實時監(jiān)測曲線的特定位置停止顯影，給不同的曝光量匹配一個最合理的顯影時間。曝光量由實時的潛像自監(jiān)測曲線控制，在曲線的特征點C后停止曝光。
圖4a中，樣片1曝光時間為172秒，顯影112秒，光刻膠厚度0.46um，所得的全息光柵槽形是矩形，槽底干凈無殘膠。
圖5a中，樣片2曝光時間為189秒，顯影時間為300秒，光刻膠厚度0.60um，所得的全息光柵槽形接近矩形，槽底干凈無殘膠。
圖6a中，樣片3曝光時間為180秒，顯影時間為360秒。光刻膠厚度0.75um，槽形是矩形，槽底干凈無殘膠。
圖7a中，樣片4曝光時間為214秒，顯影時間為210秒。光刻膠厚度0.75um，槽形是矩形，槽底干凈無殘膠。
圖8a中，樣片5曝光時間為210秒，顯影時間為180秒。光刻膠厚度0.75um，槽形是矩形，槽底干凈無殘膠。
樣片1、2和樣片6、7、8的厚度不同，后三塊樣片厚度相同，每個樣片到達潛像自監(jiān)測曲線的特征點C的時間和幅值都不相同，可見，無論光刻膠厚度不等或者由于其它工藝條件差異，潛像自監(jiān)測曲線總能實時地跟蹤顯示出特征點C出現(xiàn)的位置；在此點后停止曝光，通過顯影的進一步優(yōu)化，就能得到梯形或矩形的全息光柵槽形，而且槽底干凈無殘膠。
權(quán)利要求
1.一種全息光柵制作中的實時潛像自監(jiān)測用的光學(xué)方法，其特征在于它把作用于全息光柵的光強任意的干涉記錄光束同時作為實時潛像自監(jiān)測用的入射光束，當(dāng)入射光束的波長與光柵的周期比值 時，光柵存在多個傳播衍射級次，對其中傳播出系統(tǒng)之外的任意級次的潛像自衍射Ir2和Il1的傳播方向上的光束經(jīng)準(zhǔn)直和光電倍增后進行實時自監(jiān)測。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該方法是在全息干涉系統(tǒng)潛像自衍射Ir2和Il1的傳播方向上加上一個準(zhǔn)直透鏡，其焦面上放置一個光電倍增管對會聚光的能量進行探測，然后將信號傳給記錄儀即可實現(xiàn)對潛像進行實時自監(jiān)測。
3.一種全息光柵制作中的實時潛像自監(jiān)測用的光學(xué)方法，其特征在于它把作用于全息光柵的光強任意的干涉記錄光束同時作為實時潛像自監(jiān)測用的入射光束，當(dāng)入射光束的波長與光柵的周期比值 時，光柵存在多個傳播衍射級次，對其中按原路返回的自準(zhǔn)直級次經(jīng)濾波、準(zhǔn)直和光電倍增后進行實時自監(jiān)測。
4.按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于該方法是將左右路記錄光束Il和Ir分別產(chǎn)生的沿兩個方向傳播并按原路返回到針孔濾波器的位置并重合為一點的四個衍射級次Il0，Ir1，Il-1和Ir0經(jīng)平面反射鏡分離出需要探測的任意一個級次，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡以及放置在焦面上的對會聚光的能量進行探測的光電倍增管，由記錄儀接收該光電倍增管輸出的被探測的潛像自衍射信號實現(xiàn)對潛像進行實時自監(jiān)測。
5.一種全息光柵制作中的實時潛像自監(jiān)測用的光學(xué)方法，其特征在于它把作用于全息光柵的光強任意的干涉記錄光束同時作為實時潛像自監(jiān)測用的入射光束，當(dāng)入射光束的波長與光柵的周期比值 時，光柵存在兩個傳播的衍射級次，對按原路返回的自準(zhǔn)直級次濾波、準(zhǔn)直和光電倍增后進行實時自監(jiān)測。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于該方法是將左右路記錄光束Il和Ir分別產(chǎn)生的沿兩個方向傳播并按原路返回到針孔濾波器的位置并重合為一點的四個衍射級次Il0，Ir1，Il-1和Ir0經(jīng)平面反射鏡分離出需要探測的任意一個級次，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡以及放置在焦面上的對會聚光的能量進行探測的光電倍增管，由記錄儀接收該光電倍增管輸出的被探測的潛像自衍射信號實現(xiàn)對潛像進行實時自監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全息光柵制作中的實時潛像自監(jiān)測用的光學(xué)方法，屬于光柵測量技術(shù)領(lǐng)域。其特征是它把作用于光柵的光強任意的干涉記錄光束同時作為實時潛像自監(jiān)測用的入射光束，當(dāng)入射光束的波長與光柵的周期比值λ/d＜2/3時，光柵存在多個傳播衍射級次，對其中傳播出系統(tǒng)之外的任意級次的潛像自衍射I
文檔編號G03H1/04GK1450426SQ0312114
公開日2003年10月22日 申請日期2003年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者李立峰, 趙勁松, 吳振華 申請人:清華大學(xué)