抑制位相掩模垂直光栅矢量方向次生干扰的近场全息动态曝光方法与流程

本发明属于一种衍射光栅的制备技术领域，具体涉及抑制位相掩模垂直光栅矢量方向次生干扰、降低杂散光水平的近场全息动态曝光方法，以制备高质量衍射光栅。

背景技术：

衍射光栅作为一种重要的人工微纳米结构,已经广泛地用于强激光、同步辐射、空间光学等很多领域。在众多的衍射光栅制作方法中，利用基于位相掩模的近场全息光刻方法引起人们的日益关注。这种近场全息光刻方法产生光栅微纳米结构的基本原理是利用位相掩模衍射光之间的干涉产生光栅结构。与传统的全息光刻方法相比，具有光路简单、抗外界干扰能力强等特点。这种近场全息光刻与传统紫外光刻的过程类似，但是可以转移光栅图形的特征尺寸更小。位相掩模是实现这种近场全息光刻的关键，越来越多的位相掩模采用电子束光刻(electronbeamlithography,ebl)方法制作。一方面，随着ebl技术的发展，采用亚孔径拼接曝光方法可以实现高效、大面积的ebl图形；另一方面，这种亚孔径拼接方法不可避免地存在拼接误差，导致次生低频周期图形的产生。虽然，在ebl过程中已经有一些策略可以在一定程度上抑制这种ebl拼接误差。但是，探索其它抑制ebl位相掩模拼接误差的方法、降低ebl制作高质量位相掩模的难度，对于高线密度ebl掩模的广泛应用仍然十分有意义。

为了抑制全息光栅的杂散光水平，清华大学马冬晗等在没有位相掩模的常规全息曝光系统中利用相位调制器调节在平行于光栅矢量方向(即垂直光栅栅线的方向)扫描曝光减小杂散光，而且这种方法主要抑制常规全息曝光系统随机噪声引起的光栅杂散光[专利：马冬晗，曾理江，一种宽光束扫描曝光方法，授权公告号cn104570620b]。针对基于位相掩模的近场全息方法，法国研究人员利用扫描曝光方法制作大面积光栅[文章：valentingaté,gerardbernaud,coletteveillas,anthonycazier,francisvocanson,yvesjourlin,fastdynamicinterferometriclithographyforlargesubmicrometricperioddiffractiongratingsproduction,opticalengineering52(9),091712(2013)]，但并未比较研究近场全息方法制作出光刻胶光栅及其位相掩模之间的杂散光水平。综上所述，目前拟通过改变近场全息曝光方式抑制位相掩模次生周期结构的方法还未见报道。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：克服现有技术存在的问题，提供一种抑制位相掩模垂直光栅矢量方向次生周期结构干扰的近场全息动态曝光方法，即在近场全息过程中，通过在垂直于光栅矢量方向上的微位移抑制位相掩模初始的垂直光栅矢量方向的次生干扰图形，降低制作光栅的杂散光水平、并提高光栅的占宽比均匀性。

本发明的技术解决方案是：一种抑制位相掩模垂直光栅矢量方向次生干扰的近场全息动态曝光方法，步骤如下：

(1)建立近场全息曝光系统，所述全息曝光系统包括紫外波段激光器、针孔滤波器、准直透镜、光阑、熔石英位相掩模(分为参考光栅1和目标光栅上、下两部分)、涂布光刻胶的光栅基底，简称光栅基底、参考光栅2、样品台、压电惯性驱动器及接收屏；紫外波段激光器发出的光束依次经过针孔滤波器和准直透镜后，形成平行光，平行光再经光阑照射到熔石英位相掩模上，其中一部分平行光经熔石英位相掩模的目标光栅后产生零级与负一级两束衍射光，此零级与负一级两束衍射光相互干涉形成的干涉图形被记录到光栅基底的光刻胶层，此部分用于产生光栅图形；另一部分平行光则依次经过熔石英位相掩模的参考光栅1和参考光栅2后，在接收屏上形成莫尔条纹，通过监测莫尔条纹的变化情况控制样品台的平移方向。

(2)入射光束的主光轴方向为y方向，垂直于入射光束主轴的平面为xoz面，调整熔石英位相掩模与入射光的角度，使入射光以入射角i，即负一级自准直角入射到熔石英位相掩模上，其中，沿着熔石英位相掩模的栅线方向、即z轴方向将位相掩模分为上、下两部分：偏上至少五分之一部分作为参考光栅1(rg1)，其余部分，即相应偏下五分之四的部分记为目标光栅；

(3)利用常规的近场全息光刻-离子束刻蚀方法制作出与参考光栅1相同的熔石英光栅，记为参考光栅2，将参考光栅2与待近场全息曝光的光栅基底安置在同一个样品台上，样品台安装在压电惯性驱动器上，通过压电惯性驱动器来控制样品台沿z轴方向上下移动；

(4)通过调整样品台位置来调整参考光栅2与参考光栅1的相对位置，使参考光栅2的栅线方向与参考光栅1的栅线方向平行；

(5)参考光栅1产生的零级rb0与负一级rb-1衍射光束照射到参考光栅2上，rb0经过参考光栅2后又产生一组衍射光：记为零级rb0,0和负一级rb0,-1，rb-1经过参考光栅2后也产生一组衍射光：记为零级rb-1,0和负一级rb-1,-1，调整参考光栅1和参考光栅2的相对位置使两者的栅线彼此平行时，则rb0,0与rb-1,-1同方向，rb0,-1与rb-1,0同方向，将光束rb0,0与rb-1,-1、以及光束rb0,-1与rb-1,0分别投影到接收屏，在接收屏上分别形成两个莫尔条纹区域；

(6)启动样品台的压电惯性驱动器，在样品台平移过程中观察莫尔条纹是否移动，若莫尔条纹移动则进行步骤(7)-(8)；若莫尔条纹静止则跳过步骤(7)-(8)，进行步骤(9)；

(7)调整样品台的移动方向，使得样品台移动过程中步骤(5)中观察到的莫尔条纹趋于稳定、莫尔条纹的周期尽可能大；

(8)重复步骤(4)-步骤(7)，直至样品台沿着z轴过程中，莫尔条纹趋于静止；

(9)启动压电惯性驱动器，让涂布光刻胶的光栅基底及参考光栅2沿着z轴移动，开始曝光，曝光时间为t，结束曝光后取下涂布光刻胶的光栅基底，显影后得到具有浮雕结构的光刻胶光栅。

所述紫外波段激光器为波长为413.1nm的ar+激光器、或波长为441.6nm的he-cd激光器。

在近场全息曝光中，光栅基底在压电惯性驱动器的控制下沿着垂直于光栅矢量方向，即平行于光栅栅线的方向，匀速移动。

所述曝光时间为t为2.5min-3.5min。

所述负一级自准直角i由近场全息曝光的激光波长λ、位相掩模的周期p决定，满足方程：sin(i)＝λ/(2p)的关系。

所述莫尔条纹的周期大于5mm,肉眼明显可见。

本发明与现有技术相比优点在于：

为了进一步提高基于熔石英位相掩模的近场全息法光刻技术制备衍射光栅的质量，提出近场全息的动态曝光方法。这种近场全息动态曝光方法，不但可以抑制近场全息光学系统的随机干扰，而且可以抑制位相掩模垂直于光栅矢量方向的次生低频周期结构对最终光栅图形的干扰。利用本发明提出的近场全息光刻动态曝光方式制备的光栅能够消除由电子束光刻制备位相掩模所存在的垂直于光栅矢量方向上拼接误差带来的影响，缓解对电子束光刻制备位相掩模拼接误差的制作要求。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明中基于双参考光栅莫尔条纹监测原理示意图；

图3是本发明制得的光刻胶光栅样品的扫描电镜图，其中(a)为静止曝光时制得的光刻胶光栅，(b)为动态曝光时制得的光刻胶光栅；

图4是本发明中各光栅在441.6nm激光下的远场衍射图，其中(a)为熔石英位相掩模的远场衍射图，(b)为静止曝光时制得的光刻胶光栅远场衍射图，(c)为动态曝光时制得的光刻胶光栅远场衍射图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

实施例：近场全息动态曝光制作2400线/mm光栅

(1)如图1所示，建立一个近场全息曝光系统，其包括一个441.6nm激光器(laser441.6nm),一个针孔滤波器(spatialfilter)，一个准直透镜(cl)，一个光阑(as)，一个熔石英相位掩模(mask)，一个涂布光刻胶的光栅基底(sub)，一个参考光栅2(rg2)，一个接收屏(rp)。熔石英相位掩模中由两部分光栅图形组成，一部分是参考光栅1(rg1)，另一部分是目标光栅(mg)。参考光栅2(rg2)与涂布光刻胶的光栅基底(sub)放置在样品台(exposurestage)上，样品台能够沿着z轴即moving方向移动。激光器(laser441.6nm)发出的光束依次经过针孔滤波器(spatialfilter)和准直透镜(cl)后，形成平行光，平行光再经光阑(as)照射到熔石英相位掩模(mask)上，其中一部分平行光经熔石英相位掩模(mask)上的目标光栅(mg)后产生零级与负一级两束光，此零级与负一级两束衍射光的交叠区域相互干涉形成干涉图形被记录到涂布光刻胶光栅基底(sub)上的光刻胶层，此部分用于产生光栅图形；另一部分由光阑(as)出来的平行光则依次经过熔石英位相掩模的参考光栅1(rg1)和参考光栅2(rg2)后，在接收屏(rp)上形成莫尔条纹(moirefringe)，通过监测莫尔条纹的变化情况控制样品台的平移方向。

(2)以入射光束的主光轴方向为y方向，定义垂直于入射光束主轴的平面为xoz面。调整位相掩模(mask)与入射光的角度，使入射光以负一级自准直角i＝32°入射到位相掩模(mask)上，其中，位相掩模(mask)的栅线方向沿z轴方向，位相掩模(mask)的光栅矢量方向与ox轴的夹角为32°。沿着光栅栅线方向，即z轴方向将位相掩模分为上、下两部分：偏上五分之一的部分作为参考光栅1(rg1)，rg1线密度为2400线/mm，偏下五分之四的部分记为目标光栅(mg)，mg线密度也为2400线/mm。

(3)利用常规的近场全息光刻-离子束刻蚀方法制作出与参考光栅1(rg1)相同的熔石英光栅，记为参考光栅2(rg2)。将参考光栅2(rg2)与待近场全息曝光的光刻胶光栅基底(sub)安置在同一个样品台(exposurestage)上。采用压电惯性驱动器控制样品台(exposurestage)沿z轴方向上下移动。

(4)通过调整样品台(exposurestage)位置来调整参考光栅2(rg2)与参考光栅1(rg1)的相对位置，使参考光栅2(rg2)的栅线方向与参考光栅1(rg1)的栅线方向平行。

(5)如图2所示，参考光栅1(rg1)产生的零级rb0与负一级rb-1衍射光束投影到参考光栅2(rg2)上，rb0经过参考光栅2(rg2)后又产生一组衍射光：零级rb0,0和负一级rb0,-1，rb-1经过参考光栅2(rg2)后也产生一组衍射光：零级rb-1,0和负一级rb-1,-1。调整两参考光栅rg1与rg2相对位置使它们的栅线彼此几乎平行时，则rb0,0与rb-1,-1同方向，rb0,-1与rb-1,0同方向，它们分别投影到接收屏(rp)，在接收屏上分别形成两个莫尔条纹区域(moirefringe)。

(6)启动样品台(exposurestage)的压电惯性驱动器，在样品台(exposurestage)平移过程中观察莫尔条纹(moirefringe)是否移动。若莫尔条纹(moirefringe)移动则进行步骤(7)-(8)；若莫尔条纹(moirefringe)静止则跳过步骤(7)-(8)，进行步骤(9)。

(7)调整样品台(exposurestage)的移动方向，使得样品台(exposurestage)移动过程中步骤(5)中观察到的莫尔条纹(moirefringe)趋于稳定、莫尔条纹的周期尽可能大。

(8)重复步骤(4)-步骤(7)，直至样品台(exposurestage)沿着z轴过程中，莫尔条纹(moirefringe)趋于静止。

(9)启动压电惯性驱动器，让涂布光刻胶的光栅基底(sub)及参考光栅2(rg2)沿着z轴移动，开始曝光，曝光时间为3min。结束曝光后取下光刻胶光栅基底(sub)，在千分之五的氢氧化钠溶液内显影40s得到具有浮雕结构的光刻胶光栅。

如图3中的(a)所示为静止曝光的光刻胶光栅扫描电镜图，图3中的(b)所示为动态曝光的光刻胶光栅扫描电镜图。如图3中的(a)所示，静止曝光的光刻胶光栅栅线存在栅线弯曲、栅线宽度不均匀的现象；而如图3中的(b)所示，经过动态曝光后的光刻胶光栅样品，光栅栅线明显变直、栅线宽度均匀，此变化是由于在近场全息的动态曝光过程中，通过对光栅基底的移动，使光栅基底某一位置接收到的曝光光场在移动方向上进行平均，不但可以平滑曝光系统的随机干扰，而且将光栅移动方向上位相掩模次生低频结构均匀淡化。

图4中(a)、(b)和(c)分别为近场全息位相掩模、静止曝光得到的光刻胶光栅和动态曝光光刻胶光栅在441.6nm激光照射下的远场衍射斑，所观察的衍射级次为位相掩模次生周期图形的负一级衍射。如图4中的(a)和图4中的(b)所示，明显看到由于位相掩模次生周期图形的存在，在近场全息位相掩模和静止曝光得到的光刻胶光栅两者都有明显的横、纵两个方向上的衍射光斑。在图4中的(c)，由于在近场全息中采用垂直于光栅矢量方向平移的动态曝光，由此得到的光刻胶光栅的纵向远场衍射光斑消失，说明本发明通过动态曝光的方式消除了近场全息中位相掩模垂直于矢量方向，即平行于栅线方向的次生低频图形产生的衍射斑，进而可以显著抑制位相掩模中这类次生周期图形对制作光栅图形的影响，提高近场全息制作光栅的质量。

本发明实施例中的光刻胶为az701,光刻胶厚度为220nm。

提供以上实施例仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。