專利名稱：位相型朗奇光柵槽深的光學(xué)檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種位相型朗奇(Ronchi)光柵槽深的光學(xué)檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：
朗奇光柵是一種大周期，低空間頻率的光柵，一般空間周期在2-100μm之間。以朗奇光柵為分束元件的剪切干涉系統(tǒng)可應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)力學(xué)等領(lǐng)域。
位相型朗奇光柵是制作在光學(xué)玻璃等透明介質(zhì)上的透射光柵，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中光柵材料的折射率為n，光柵周期為d，光柵線條寬度為a，光柵槽寬為b，占寬比為Δ＝a/d，光柵線條的高度或槽深為h。
槽深是位相型朗奇光柵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。在占寬比確定的條件下，位相型朗奇光柵的槽深直接關(guān)系到其各級(jí)衍射效率的分配，選擇特殊的槽深，可以抑制或增強(qiáng)其某些級(jí)次的衍射效率。因此，位相型朗奇光柵的槽深檢測(cè)十分重要。
光柵槽深的檢測(cè)有直接和間接兩種測(cè)試方式。
在直接方式中，通常利用臺(tái)階儀、原子力顯微鏡、掃描電鏡等儀器檢測(cè)位相型朗奇光柵的槽深。臺(tái)階儀受樣品表面形狀、表面粗糙度等的影響，一般誤差在幾十個(gè)納米的量級(jí)。原子力顯微鏡的測(cè)量精度較高，但是原子力顯微鏡測(cè)槽深的缺點(diǎn)是測(cè)量周期長、操作復(fù)雜。臺(tái)階儀和原子力顯微鏡的測(cè)試很容易受外界環(huán)境的影響。掃描電鏡法需要制作光柵樣品的橫斷面，對(duì)于厚樣品很難制作觀測(cè)樣品，而且對(duì)光柵樣品而言是破壞性的。此外，上述光柵槽深的檢測(cè)都屬于專門的、價(jià)格比較昂貴的儀器設(shè)備。
根據(jù)光柵的衍射特性可以間接地反演光柵的槽形結(jié)構(gòu)，如美國專利Method and apparatus for measuring the profile of small repeatinglines，Edward W.Cornad，David P.Paul，專利號(hào)US5963329A，1999，文獻(xiàn)1.Optical measurement of depth and duty cycle for binarydiffraction gratings with subwavelength features，John R.Marciante，Nestor O.Farmiga，Jeffrey I.Hirsh，Michelle S.Evans，and Hieu T.Ta，Applied Optics，2003，42(16)3234-3240；2.衍射頻譜法測(cè)光柵膜層厚度，李何立，文學(xué)金，曹向群，林斌，光電工程，2004，31(5)46-48；3.用光柵的+/-1級(jí)能量之比測(cè)量光柵參量，李建龍，傅克祥，張麗娟，光學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(10)1324-1328；4.用透射光譜法測(cè)光柵參數(shù)的數(shù)值模擬，張麗娟，傅克祥，李建龍，麻健勇，謝金，激光雜志，2005，26(3)42-44等。上述方法反演光柵槽形結(jié)構(gòu)的基本過程是，實(shí)驗(yàn)上測(cè)量光柵在某一特定波長下的各級(jí)衍射光，或者測(cè)量光柵對(duì)某一寬帶光源透射或反射光的光譜曲線；同時(shí)，假定光柵槽形參數(shù)(槽形、槽深、占寬比)的初值進(jìn)行衍射效率的模擬計(jì)算，結(jié)合光柵槽形反演的優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)，不斷調(diào)整光柵的槽形參數(shù)，每改變一次光柵的槽形結(jié)構(gòu)，即數(shù)值計(jì)算一次相應(yīng)槽形下的光柵衍射效率曲線，并與衍射效率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行比較，經(jīng)過多次迭代反演，當(dāng)光柵衍射效率的數(shù)值模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的偏差達(dá)到設(shè)定的精度范圍時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)應(yīng)的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)即為最終反演的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)。
上述利用光柵衍射特性反演光柵槽形的方法，一般均需要確切地知道光柵周期，而且需要掌握復(fù)雜的光柵效率算法，編寫專門的光柵衍射效率程序，進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算。對(duì)于周期d與工作波長λ相近，或周期d小于工作波長λ的光柵，上述方法十分必要；但是，對(duì)于周期d遠(yuǎn)大于其工作波長λ(通常為d＞10λ)的透射位相光柵，光柵的槽深在波長的量級(jí)，光柵線條的深寬比很小，在占寬比確定的條件下，槽深是決定光柵衍射特性的重要參數(shù)，光柵槽深的精確檢測(cè)十分重要，因此，提供一種更為簡單、實(shí)用的光柵槽深檢測(cè)方法十分必要。


發(fā)明內(nèi)容
為了解決對(duì)于周期遠(yuǎn)大于其工作波長的位相型朗奇光柵槽深的精確檢測(cè)，根據(jù)位相型朗奇光柵槽深與其零級(jí)光譜透射率存在的特殊關(guān)系，本發(fā)明提出一種利用位相型朗奇光柵零級(jí)光譜透射率判斷其槽深的光學(xué)檢測(cè)方法，即位相型朗奇光柵槽深的光學(xué)檢測(cè)方法。
本發(fā)明光學(xué)檢測(cè)方法的具體操作步驟如下 當(dāng)位相型朗奇光柵的周期d及其工作波長λ滿足d＞10λ的情形時(shí)， 1、利用光譜儀記錄工作光源的初始光譜曲線Is(λ)； 2、將待測(cè)位相型朗奇光柵放置在工作光源和光譜儀之間，工作光源的出射光正入射至位相型朗奇光柵表面；其中，位相型朗奇光柵與工作光源的距離適中，使工作光源的出射光全部照射到光柵表面上；位相型朗奇光柵與光譜儀的距離至少大于50mm，使光譜儀僅接收到光柵的零級(jí)透射光； 3、利用光譜儀記錄位相型朗奇光柵對(duì)工作光源的零級(jí)透射光的光譜曲線Ig(λ)； 4、根據(jù)公式計(jì)算位相型朗奇光柵的零級(jí)光譜透射率。
5、根據(jù)光柵零級(jí)光譜透射率η(λ)確定位相型朗奇光柵零級(jí)光譜透射率極小值ηmin對(duì)應(yīng)的波長λmin； 6、計(jì)算位相型朗奇光柵的槽深h，具體如下 如果位相型朗奇光柵零級(jí)光譜透射率的極小值ηmin對(duì)應(yīng)的中心波長λmin，則光柵的槽深h滿足(1)式， 其中nmin為光柵基底材料對(duì)波長λmin的折射率。
所述工作光源為鹵素光源、或氘燈等類型的寬帶連續(xù)光源。
所述光譜儀為USB4000、HR4000等類型的光譜儀。
本發(fā)明所述檢測(cè)位相型朗奇光柵槽深的原理是這樣的 在光波標(biāo)量衍射理論下，當(dāng)周期d及其工作波長λ滿足d》λ(通常取d＞10λ)時(shí)，占寬比為Δ，槽深為h的位相型朗奇光柵，其零級(jí)透射率η可表示為 對(duì)某一占寬比為Δ的位相型朗奇光柵，當(dāng)即(m為非負(fù)整數(shù))時(shí)，光柵的零級(jí)光譜透射率有極小值ηmin＝(2Δ-1)2。
由此可以看出，光柵零級(jí)光譜透射率的極小值ηmin對(duì)應(yīng)的波長λmin，只與光柵槽形參數(shù)中的槽深h有關(guān)，而與其占寬比Δ無關(guān)，光柵零級(jí)光譜透射率極小值的大小僅與其占寬比Δ有關(guān)，而與其槽深h無關(guān)。
當(dāng)光柵槽深h滿足下式時(shí)，即 位相型朗奇光柵的零級(jí)光譜透射率取得極小值。因?yàn)樵诠鈻旁O(shè)計(jì)制作中，一般選擇可達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最小槽深，所以取m＝0，即 如果利用光譜儀測(cè)得位相型朗奇光柵的零級(jí)光譜透射率的極小值對(duì)應(yīng)的波長為λmin，由λmin得到相應(yīng)的nmin，即可根據(jù)(4)式求得位相型朗奇光柵的槽深h。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果是 本發(fā)明所述的位相型朗奇光柵槽深的光學(xué)檢測(cè)方法，檢測(cè)原理簡單可靠，所需設(shè)備少，檢測(cè)成本較低，而且能夠快速、靈敏地實(shí)現(xiàn)朗奇光柵槽深的無損檢測(cè)。
與直接法相比，本發(fā)明方法可快速地給出光斑照射區(qū)域內(nèi)，位相型朗奇光柵槽深的平均值，對(duì)于評(píng)價(jià)待測(cè)光柵的整體衍射特性更具客觀性和實(shí)際價(jià)值。
此方法不但可用于位相型朗奇光柵槽深的離線檢測(cè)，也可以用于離子束刻蝕過程中透射衍射光學(xué)元件刻蝕深度的在線檢測(cè)。



圖1為位相型朗奇光柵的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖2為檢測(cè)位相型朗奇光柵槽深的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖， 圖3為位相型朗奇光柵I槽深的相關(guān)測(cè)試曲線， 圖4為位相型朗奇光柵II槽深的相關(guān)測(cè)試曲線。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。
檢測(cè)位相型朗奇光柵槽深的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。其中1為工作光源，2為待測(cè)位相型朗奇光柵，3為光譜儀，4為計(jì)算機(jī)。其中的工作光源為美國海洋公司LS-1-LL型鹵素光源，光譜儀是美國海洋公司USB4000型光譜儀。測(cè)試中，鹵素光源的出射光正入射至位相型朗奇光柵，光柵零級(jí)透射光經(jīng)光纖饋入光譜儀，并最終經(jīng)計(jì)算機(jī)輸出。
實(shí)施例1 位相型朗奇光柵的周期d為25μm，工作波長λ為740nm，滿足d＞10λ的情形，位相型朗奇光柵I槽深的測(cè)試操作步驟如下 1、利用光譜儀記錄鹵素光源的初始光譜曲線Is(λ)，如圖3中的實(shí)線所示； 2、將待測(cè)位相型朗奇光柵2放置在鹵素光源1和光譜儀3之間，鹵素光源的出射光正入射至位相型朗奇光柵表面，位相型朗奇光柵與光譜儀的距離為50mm； 3、利用光譜儀記錄位相型朗奇光柵對(duì)鹵素光源的零級(jí)透射光的光譜曲線Ig(λ)，如圖3中的虛線所示； 4、根據(jù)公式計(jì)算位相型朗奇光柵的零級(jí)光譜透射率，如圖3中的點(diǎn)劃線所示； 5、由光柵零級(jí)光譜透射率η(λ)確定位相型朗奇光柵ηmin對(duì)應(yīng)的波長λmin＝674nm，石英在674nm的折射率nmin＝1.456； 6、根據(jù)光柵的槽深計(jì)算得到h＝739nm。
利用美國Tencor Alphastep 500型臺(tái)階儀直接測(cè)量了此光柵的槽深為755nm，兩者相差2％左右。本發(fā)明所述檢測(cè)結(jié)果與常規(guī)臺(tái)階儀的檢測(cè)結(jié)果十分接近，表明了本方法的檢測(cè)結(jié)果是可信的。
實(shí)施例2 位相型朗奇光柵的周期d為25μm，工作波長λ為770nm，滿足d＞10λ的情形，位相型朗奇光柵I槽深的測(cè)試操作步驟如下 步驟1-4同實(shí)施例1，位相型朗奇光柵與光譜儀的距離為50mm； 得到位相型朗奇光柵II的零級(jí)光譜透射率，如圖4所示。由圖4可知，光柵II的ηmin對(duì)應(yīng)的波長λmin＝700nm，石英在700nm的折射率nmin＝1.456，由公式計(jì)算得到光柵II的槽深h＝767nm。
利用美國Tencor Alphastep 500型臺(tái)階儀直接測(cè)量了此光柵的槽深為776nm，兩者相差1％左右。本發(fā)明所述檢測(cè)結(jié)果與常規(guī)臺(tái)階儀的檢測(cè)結(jié)果十分接近，表明了本方法的檢測(cè)結(jié)果是可信的。
實(shí)施例3 此方法也可以使用氘燈等其它寬帶連續(xù)光源作為工作光源，相應(yīng)地使用與其工作波段相匹配的光譜儀，如HR4000光譜儀等。
權(quán)利要求
1、位相型朗奇光柵槽深的光學(xué)檢測(cè)方法，其特征在于當(dāng)位相型朗奇光柵的周期d及其工作波長λ滿足d＞10λ的情形時(shí)，位相型朗奇光柵槽深的光學(xué)檢測(cè)具體操作步驟如下
(1)、利用光譜儀記錄工作光源的初始光譜曲線Is(λ)；
(2)、將待測(cè)位相型朗奇光柵放置在工作光源和光譜儀之間，工作光源的出射光正入射至位相型朗奇光柵表面；位相型朗奇光柵與光譜儀的距離至少大于50mm，使光譜儀的入射面僅接收到光柵的零級(jí)透射光；
(3)、利用光譜儀記錄位相型朗奇光柵對(duì)工作光源的零級(jí)透射光的光譜曲線Ig(λ)；
(4)、根據(jù)公式計(jì)算位相型朗奇光柵的零級(jí)光譜透射率；
(5)、根據(jù)光柵零級(jí)光譜透射率η(λ)確定位相型朗奇光柵零級(jí)光譜透射率極小值ηmin對(duì)應(yīng)的波長λmin；
(6)、計(jì)算位相型朗奇光柵的槽深h，具體如下
如果位相型朗奇光柵零級(jí)光譜透射率的極小值ηmin對(duì)應(yīng)的中心波長λmin，則光柵的槽深h滿足(1)式，
其中nmin為光柵基底材料對(duì)波長λmin的折射率。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的位相型朗奇光柵槽深的光學(xué)檢測(cè)方法，其特征在于所述工作光源為鹵素光源、或氘燈、或同步輻射的寬帶連續(xù)光源。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的位相型朗奇光柵槽深的光學(xué)檢測(cè)方法，其特征在于所述光譜儀為USB4000光譜儀、或HR4000光譜儀。
全文摘要
本發(fā)明位相型朗奇(Ronchi)光柵槽深的光學(xué)檢測(cè)方法。解決了對(duì)于周期遠(yuǎn)大于其工作波長的位相型朗奇光柵槽深的精確檢測(cè)。本發(fā)明包括1.利用光譜儀記錄工作光源的初始光譜曲線Is(λ)；2.工作光源的出射光正入射至位相型朗奇光柵表面；3.利用光譜儀記錄位相型朗奇光柵對(duì)工作光源的零級(jí)透射光的光譜曲線Ig(λ)；4.計(jì)算位相型朗奇光柵的零級(jí)光譜透射率；5.根據(jù)光柵零級(jí)光譜透射率η(λ)確定位相型朗奇光柵零級(jí)光譜透射率極小值ηmin對(duì)應(yīng)的波長λmin；6.最后計(jì)算出位相型朗奇光柵的槽深。本發(fā)明方法適用于周期遠(yuǎn)大于其工作波長的位相型朗奇光柵槽深檢測(cè)，其檢測(cè)原理簡單可靠，所需設(shè)備少，檢測(cè)成本較低，而且能夠快速、靈敏地實(shí)現(xiàn)朗奇光柵槽深的無損檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01B11/22GK101339006SQ200810021578
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月1日
發(fā)明者穎 劉, 付紹軍, 劉正坤, 徐向東, 洪義麟 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)