专利名称：一种全息光栅制作中的实时潜像自监测用的光学方法
技术领域：
本发明涉及一种全息光栅制作中的实时潜像自监测用的光学方法，尤其是涉及一种广泛应用于光谱仪器、测量、光学信息处理和光通讯等领域的全息光栅制作中的实时潜像自监测用的光学方法。
光刻胶对全息干涉条纹曝光，感光剂发生光化学分解反应；不同空间位置的胶层吸收的曝光量不同，其折射率和吸收系数产生程度不等的微小的变化，形成潜像；潜像光栅的位相调制深度随曝光时间增长而先增后减，因此需要对曝光过程进行实时监测以获得最佳曝光量。由于产生的潜像光栅的位相调制深度总是非常浅的，衍射效率非常低，实时监测非常困难，人们一般离线地(非实时地)探测已经曝光但还没有显影的光刻胶样片中的潜像衍射强度，参见文献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)；文献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；文献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.；已报道的潜像实时监测的文献如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和文献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.，这些实时监测系统需要外加一个复杂的监测系统。为了得到比较强的衍射光，通常采用短波长的激光进行监测；由于光刻胶对短波长吸收很强，必须把监测用的入射光衰减到安全的能量强度；为了探测这样弱的信号，还加上斩波器对信号进行调制，但一般衍射效率只能达到10-6～10-7的量级，这使得入射光和衍射光的方向难以确定，实际操作非常不便，而且对背景光和激光输出功率的波动显得比较敏感。所以此前的潜像实时监测方法复杂昂贵、操作困难而且所获得的监测曲线特征不够明显，并且基本上还处于实验室探索阶段，尚不具备实用性。另外，到目前为止，大幅度提高全息光栅的槽形质量和生产效率的技术未见报道。
为实现上述目的，本发明提出的一种全息光栅制作中的实时潜像自监测用的光学方法，其特征之一在于它把作用于全息光栅的光强任意的干涉记录光束同时作为实时潜像自监测用的入射光束，当入射光束的波长与光栅的周期比值 时，光栅存在多个传播衍射级次，对其中传播出系统之外的任意级次的潜像自衍射Ir2和Il1的传播方向上的光束经准直和光电倍增后进行实时自监测。所述方法是在全息干涉系统潜像自衍射Ir2和Il1的传播方向上加上一个准直透镜，其焦面上放置一个光电倍增管对会聚光的能量进行探测，然后将信号传给记录仪即可实现对潜像进行实时自监测。
本发明提出的一种全息光栅制作中的实时潜像自监测用的光学方法，其特征之二在于它把作用于全息光栅的光强任意的干涉记录光束同时作为实时潜像自监测用的入射光束，当入射光束的波长与光栅的周期比值 时，光栅存在多个传播衍射级次，对其中按原路返回的自准直级次经滤波、准直和光电倍增后进行实时自监测。所述方法是将左右路记录光束Il和Ir分别产生的沿两个方向传播并按原路返回到针孔滤波器的位置并重合为一点的四个衍射级次Il0，Ir1，Il-1和Ir0经平面反射镜分离出需要探测的任意一个级次，再经准直透镜以及放置在焦面上的对会聚光的能量进行探测的光电倍增管，由记录仪接收该光电倍增管输出的被探测的潜像自衍射信号实现对潜像进行实时自监测。
本发明提出的一种全息光栅制作中的实时潜像自监测用的光学方法，其特征之三在于它把作用于全息光栅的光强任意的干涉记录光束同时作为实时潜像自监测用的入射光束，当入射光束的波长与光栅的周期比值 时，光栅存在两个传播的衍射级次，对按原路返回的自准直级次经滤波、准直和光电倍增后进行实时自监测。所述方法是将左右路记录光束Il和Ir分别产生的沿两个方向传播并按原路返回到针孔滤波器的位置并重合为一点的四个衍射级次Il0，Ir1，Il-1和Ir0经平面反射镜分离出需要探测的任意一个级次，再经准直透镜以及放置在焦面上的对会聚光的能量进行探测的光电倍增管，由记录仪接收该光电倍增管输出的被探测的潜像自衍射信号实现对潜像进行实时自监测。
由于本发明将监测系统和全息干涉曝光系统前后耦合成一个完整的光学系统，使用同一个相干光源，整个系统简洁而容易实现，化解了两路激光同时控制的困难；光栅基片和记录光束的空间相对位置是固定的，则潜像自衍射级次传播方向也是固定的，这保证了被实时监测的自衍射级次方向非常容易确定，使得操作方便、信号容易对准。
本监测方法不需专门的监测用激光器，没有复杂的监测光路，也没有必要对监测用的入射光束进行“预处理”(包括能量衰减和信号调制，以及单独的快门控制等)——系统本身实现“自监测”，简化了整个监测系统，大幅度地降低了设备成本并提高了可操作性。由于全息光栅的干涉记录光束同时作为实时潜像监测的入射光束，所以入射光强(干涉光束的光强)不受任何限制；另外，准直镜对自衍射的平行光会聚，产生面积积分的效应，正是这两点从根本上保证了能被探测的潜像自衍射信号具有很高的能量密度——解决了信号弱探测难，及特征点不明显的问题。由于上述原因，本监测方法中也没有必要专门的锁环放大器；对于不同面积的基片，只需把记录仪的挡位调到适当位置即可得到良好的输出信号。进入探测光路的大部分杂散光的传播方向和被探测的自衍射级次方向不同，则经过准直透镜，它们将聚焦于PMT探测面(被放置在准直镜的后焦面上)之外，所以系统具有较好的抗噪声能力。
使用这种实时的潜像自监测系统，能够获得特征非常明显的实时监测曲线；这种技术能灵敏和客观地探测出样片之间个性差异导致的最佳曝光量的漂移，所以能对其进行补偿；使用这种技术，可以充分利用光刻胶的非线性效应制作出非正弦的全息光栅槽形——梯形或矩形；大幅提高了全息光栅的沟槽质量、成品率和生产效率，而且可以显著缩短新工艺的研究周期。
图2a为本发明当 时全息光栅制作中对其中传播出系统之外的任意级次实现自监测的实时潜像自监测装置。
图2b为本发明当 时全息光栅制作中对其中按原路返回的自准直级次进行监测的实时潜像自监测装置。
图2c为本发明当 时全息光栅制作中对其中按原路返回的自准直级次进行监测的实时潜像自监测装置。
图3为本发明实时监测曲线特征分析图。它是一次全程实时潜像自监测曲线，纵坐标是左干涉光束的“一级自衍射”能量，横坐标是曝光时问，根据其特性可把整个曲线分为4个区水平预曝光区，如图AB段；线性上升区，如图BC段；水平饱和区，如图CE段；线性下降区，如图EF段。
图4a为样片1的实时潜像自监测曲线图。
图4b为样片1的实时潜像自监测扫描电子显微镜照片。
图5a为样片2的实时潜像自监测曲线图。
图5b为样片2的实时潜像自监测扫描电子显微镜照片。
图6a为样片3的实时潜像自监测曲线图。
图6b为样片3的实时潜像自监测扫描电子显微镜照片。
图7a为样片4的实时潜像自监测曲线图。
图7b为样片4的实时潜像自监测扫描电子显微镜照片。
图8a为样片5的实时潜像自监测曲线图。
图8b为样片5的实时潜像自监测扫描电子显微镜照片。样片1、2和后三块样片之间厚度不同，后三块样片厚度相同，每个样片到达潜像自监测曲线的特征点C的时间和幅值都不相同，但都在紧接特征点C后停止曝光，光栅槽形都接近矩形，槽底干净无残胶。
本发明提出的全息光栅制作中的实时潜像自监测用的光学方法之二是，它把全息光栅的光强任意的干涉记录光束同时作为实时潜像自监测用的入射光束，当入射光束的波长与光栅的周期比值 时，光栅存在多个传播衍射级次，对其中按原路返回的自准直级次进行监测如图2b所示，由于任意一个准直和全息干涉光学系统(4)的左右路记录光束Il和Ir分别产生的沿两个方向传播的四个衍射级次Il0，Ir1，Il-1和Ir0按原路返回到针孔滤波器(5)的位置并重合为一点，经平面反射镜(6)和准直透镜(1)以及放置在焦面上的对会聚光的能量进行探测的光电倍增管(2)，由记录仪(3)接收被探测的潜像自衍射信号实现对潜像进行实时自监测。
本发明提出的一种全息光栅制作中的实时潜像自监测用的光学方法，其特征之三在于它把全息光栅的光强任意的干涉记录光束同时作为实时潜像自监测用的入射光束，当入射光束的波长与光栅的周期比值 时，光栅存在两个传播的衍射级次，对按原路返回的自准直级次进行监测如图2c所示，将任意一个准直和全息干涉光学系统(4)的左右路记录光束Il和Ir分别产生两个方向传播的四个衍射级次Il0，Ir1，Il-1和Ir0按原路返回到针孔滤波器(5)的位置并重合为一点，再经平面反射镜(6)和准直透镜(1)以及放置在焦面上的对会聚光的能量进行探测的光电倍增管(2)，由记录仪(3)接收被探测的潜像自衍射信号实现对潜像进行实时自监测。
潜像自衍射级次和方向的确定如果使用波长λ＝441.6nm的HeCd激光器，制作1200lp/mm的全息光栅，对应的干涉半角|θ|≈15.36°。潜像对干涉记录光束自衍射的可能级次和方向推导如下两个平面波干涉产生的全息光栅的周期为，d=λ2sin|θ|---(1)]]>上式说明，波长为λ的两束夹角为2θ的平行光干涉，产生周期为d的干涉条纹。由于周期为正值，所以角度θ取绝对值(相对于有正负符号定义的衍射角来说)。
斜入射时，光栅方程为sinβ=sinθ+mλd---(2)]]>根据(2)式和(3)式，对于右路光束，θ＜0，若依次取mr＝0，1，-1，2，对应的衍射角分别为βr＝-15.36°，15.36°，-52.64°，52.64°；对于左路光束，θ＞0，若依次取mr＝-1，0，-2，1，对应的衍射角分别为βr＝-15.36°，15.36°，-52.64°，52.64°。
在本干涉系统中，潜像对左右记录光束分别只能产生四个衍射级次，由于两束干涉光对于潜像光栅的平面是左右对称的两束入射光，它们对应的两组衍射光的空间分布也是对称的，而且两两成对出现、传播方向相同。其中前两对形成自准直光，沿干涉光路返回针孔位置；后两对传播出系统之外，可以方便地被探测。由于对称性，后两组的能量也是对称的(假设左右路光束的光强相等)，任选其一探测即可。
需要指出的是，潜像的自衍射光只有在反射半空间能够维持特定的传播方向，在潜像光栅的透射方向，由于光刻胶、基底材料的散射，自衍射光的特定传播方向被破坏，成了弥散状态的散射光，或者基底材料本身不透光，是无法用于监测的。
监测曲线主要特点及最佳曝光区的确定使用这种自监测技术，能够获得特征非常明显的实时监测曲线，如图3所示，这是一次全程实时潜像自监测曲线，光刻胶的初始厚度约为0.6um，纵坐标是左干涉光束的“一级自衍射”能量，横坐标是曝光时间，根据其特性可把整个曲线分为4个区(1)水平预曝光区，如图AB段；(2)线性上升区，如图BC段；(3)水平饱和区，如图CE段；(4)线性下降区，如图EF段。
实验证明，最佳曝光区在水平饱和区的上升沿，图中CD段。这是潜像自监测技术实施中的判断法则。根据记录仪输出曲线的特征点，就可对曝光量进行精确地控制。
梯形或矩形全息光栅的制作使用Shipley S1805光刻胶，光刻胶初始厚度控制在0.46～0.75um不等，Shipley 351显影液和去离子水的体积稀释比率为1∶4。由于曝光和显影之间存在一定的补偿关系，所以对于不同的曝光量使用相同的显影时间是不合理的，为此，对显影也采用已有技术的实时监测的方法，一般在显影实时监测曲线的特定位置停止显影，给不同的曝光量匹配一个最合理的显影时间。曝光量由实时的潜像自监测曲线控制，在曲线的特征点C后停止曝光。
图4a中，样片1曝光时间为172秒，显影112秒，光刻胶厚度0.46um，所得的全息光栅槽形是矩形，槽底干净无残胶。
图5a中，样片2曝光时间为189秒，显影时间为300秒，光刻胶厚度0.60um，所得的全息光栅槽形接近矩形，槽底干净无残胶。
图6a中，样片3曝光时间为180秒，显影时间为360秒。光刻胶厚度0.75um，槽形是矩形，槽底干净无残胶。
图7a中，样片4曝光时间为214秒，显影时间为210秒。光刻胶厚度0.75um，槽形是矩形，槽底干净无残胶。
图8a中，样片5曝光时间为210秒，显影时间为180秒。光刻胶厚度0.75um，槽形是矩形，槽底干净无残胶。
样片1、2和样片6、7、8的厚度不同，后三块样片厚度相同，每个样片到达潜像自监测曲线的特征点C的时间和幅值都不相同，可见，无论光刻胶厚度不等或者由于其它工艺条件差异，潜像自监测曲线总能实时地跟踪显示出特征点C出现的位置；在此点后停止曝光，通过显影的进一步优化，就能得到梯形或矩形的全息光栅槽形，而且槽底干净无残胶。
权利要求
1.一种全息光栅制作中的实时潜像自监测用的光学方法，其特征在于它把作用于全息光栅的光强任意的干涉记录光束同时作为实时潜像自监测用的入射光束，当入射光束的波长与光栅的周期比值 时，光栅存在多个传播衍射级次，对其中传播出系统之外的任意级次的潜像自衍射Ir2和Il1的传播方向上的光束经准直和光电倍增后进行实时自监测。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于该方法是在全息干涉系统潜像自衍射Ir2和Il1的传播方向上加上一个准直透镜，其焦面上放置一个光电倍增管对会聚光的能量进行探测，然后将信号传给记录仪即可实现对潜像进行实时自监测。
3.一种全息光栅制作中的实时潜像自监测用的光学方法，其特征在于它把作用于全息光栅的光强任意的干涉记录光束同时作为实时潜像自监测用的入射光束，当入射光束的波长与光栅的周期比值 时，光栅存在多个传播衍射级次，对其中按原路返回的自准直级次经滤波、准直和光电倍增后进行实时自监测。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于该方法是将左右路记录光束Il和Ir分别产生的沿两个方向传播并按原路返回到针孔滤波器的位置并重合为一点的四个衍射级次Il0，Ir1，Il-1和Ir0经平面反射镜分离出需要探测的任意一个级次，再经准直透镜以及放置在焦面上的对会聚光的能量进行探测的光电倍增管，由记录仪接收该光电倍增管输出的被探测的潜像自衍射信号实现对潜像进行实时自监测。
5.一种全息光栅制作中的实时潜像自监测用的光学方法，其特征在于它把作用于全息光栅的光强任意的干涉记录光束同时作为实时潜像自监测用的入射光束，当入射光束的波长与光栅的周期比值 时，光栅存在两个传播的衍射级次，对按原路返回的自准直级次滤波、准直和光电倍增后进行实时自监测。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于该方法是将左右路记录光束Il和Ir分别产生的沿两个方向传播并按原路返回到针孔滤波器的位置并重合为一点的四个衍射级次Il0，Ir1，Il-1和Ir0经平面反射镜分离出需要探测的任意一个级次，再经准直透镜以及放置在焦面上的对会聚光的能量进行探测的光电倍增管，由记录仪接收该光电倍增管输出的被探测的潜像自衍射信号实现对潜像进行实时自监测。
全文摘要
本发明涉及一种全息光栅制作中的实时潜像自监测用的光学方法，属于光栅测量技术领域。其特征是它把作用于光栅的光强任意的干涉记录光束同时作为实时潜像自监测用的入射光束，当入射光束的波长与光栅的周期比值λ/d＜2/3时，光栅存在多个传播衍射级次，对其中传播出系统之外的任意级次的潜像自衍射I
文档编号G03H1/04GK1450426SQ0312114
公开日2003年10月22日 申请日期2003年3月28日 优先权日2003年3月28日
发明者李立峰, 赵劲松, 吴振华 申请人:清华大学