一种宽光束扫描曝光方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种扫描曝光方法，特别是关于一种宽光束扫描曝光方法。
【背景技术】
[0002]衍射光栅作为一种典型的衍射光学元件，被广泛应用于光谱分析、精密计量、集成光学、信息处理和激光脉冲压缩等领域。目前，大尺寸全息光栅的制造方法主要有单次曝光、扫描曝光和曝光拼接等方法。曝光过程中的条纹锁定是非常关键的。双光束全息曝光法是最通用的制作全息光栅的方法。
[0003]美国Lawrence Livermore国家实验室利用口径达1.09m的曝光透镜，单次曝光制造出面积为910X450mm2的光栅。单次曝光的优点在于技术成熟、系统简单，缺点是光栅面积和质量均取决于曝光透镜，制作高质量大光栅需要使用大口径的非球面镜，成本很高，特别是制作口径明显超过米级的非球面镜目前仍不现实。扫描曝光方法是采用口径仅Imm左右的细光束形成的干涉条纹，对运动的基板沿栅线方向进行往复扫描，以制造大面积的光栅区域。目前美国Plymouh Grating Laboratory公司采用扫描曝光方法制造出面积为910 X 420mm2的光栅。扫描曝光方法的优点在于细光束曝光干涉场质量好，对光栅尺寸没有限制，缺点是使用双频激光干涉信号进行扫描过程中的条纹锁定，对扫描系统的精密控制导致系统极为复杂。基于潜像的曝光拼接是一种分区曝光的方法。曝光拼接是用较小的曝光区域进行一次曝光后，将光栅移动到下一个位置，根据潜像光栅(光刻胶折射率被曝光光场调制后得到的衍射效率非常低的光栅)在曝光光场中形成的干涉条纹，调节两次曝光的位相和姿态，再进行下一次曝光。曝光拼接方法的优点是系统相对简单，锁定方法完全自参考，拼接精度高；缺点是拼接处存在接缝。
[0004]光栅杂散光是评价光栅品质的重要技术指标。杂散光来自光栅槽形误差、粗糙度和栅距误差等。降低光栅杂散光对于提高光谱仪的检出限有着重要的意义。以上三种光栅制作方法虽然有可能通过光路调节减少栅距误差引入的杂散光，但是激光散斑的存在使得高频的槽形和粗糙度误差不可避免。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够制造大尺寸或低杂散光全息光栅的宽光束扫描曝光方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种宽光束扫描曝光方法，其包括以下步骤:1)设置一双光束曝光系统，其包括激光器、分光镜、第一至第三反射镜、第一至第二显微物镜、第一至第二针孔、第一至第二准直透镜和涂覆光刻胶的基板，激光器发出的光束经分光镜分成两束，第一束光经第一反射镜反射后进入第一显微物镜中，经第一显微物镜聚焦后进入第一针孔，经第一针孔滤波后进入第一准直透镜，经第一准直透镜准直后成为第一平行光束；第二束光依次经第二、第三反射镜反射后进入第二显微物镜，经第二显微物镜聚焦后进入第二针孔，经第二针孔滤波后进入第二准直透镜，经第二准直透镜准直后成为第二平行光束；第一、第二平行光束在涂覆光刻胶的基板表面形成干涉场；将所述双光束曝光系统中沿光栅矢量方向作为X方向，沿光栅栅线方向作为y方向，沿基板法线方向作为z方向；2)利用挡光屏限制基板表面形成的干涉场，并在基板右边缘留出面积为AXd的矩形区域；将第一、第二准直透镜的口径设置为D，利用宽度d为D/10?D/5的光束对基板右边缘面积为AX d的矩形区域进行曝光，曝光时间为t，得到一条面积为AX d的工艺边，此时工艺边上就得到了潜像光栅；3)在第一准直透镜与基板之间的光路上推入第一衰减光楔，使得第一平行光束照射到面积为AXd的工艺边上的部分被完全衰减；在第二准直透镜与基板之间的光路上推入第二衰减光楔，使得第二平行光束照射到工艺边上的部分被完全衰减；在面积为AXd的工艺边上形成面积为AXd的潜像条纹；在第二平行光束侧设置一探测器，第二衰减光楔将面积为AXd的潜像条纹反射到探测器上，探测器接收到的潜像条纹用于条纹锁定；4)将挡光屏相对于基板沿-X方向移动，在基板上工艺边左侧留出面积为AX4d的矩形区域；基板静止不动，对工艺边左侧面积为AX3d的区域进行t时间曝光；对位于面积为AX 3d区域左侧的面积为AXd的区域进行线性曝光；在对工艺边左侧面积为AX4d的区域进行曝光的过程中，利用探测器探测步骤3)中面积为AXd的潜像条纹上的位相变化；在第一反射镜与第一显微物镜之间的光路上增设第一声光调制器，在第三反射镜与第二显微物镜之间的光路上增设第二声光调制器，第一声光调制器对第一光束进行调制，第二声光调制器对第二光束进行调制，使得调制后的第一光束和第二光束之间产生位相差，利用位相差对探测器探测到的位相变化进行补偿，使得面积为AXd的潜像条纹保持不动；5)相对于基板继续沿-X方向推入第一、第二衰减光楔，使得照射到面积为AX3d的静止曝光区域的光束被完全衰减，形成面积为AX 3d的潜像条纹；利用宽度为d的光束对面积为AX 3d的潜像条纹左侧的全部区域依次进行扫描曝光，扫描曝光过程中基板以速度V沿+X方向匀速移动；在扫描曝光过程中，利用探测器探测面积为AX 3d的潜像条纹上的条纹位相变化、条纹间距变化和条纹倾斜变化，对于条纹位相变化，通过第一声光调制器和第二声光调制器在第一、第二光束之间产生的位相差来进行补偿；对于条纹间距变化，通过调整第一针孔沿I方向的位置进行补偿；对于条纹倾斜变化，通过调整第一针孔在XZ平面内垂直第一光束方向的位置进行补偿，通过上述三种补偿，使得面积为AX 3d的潜像条纹在扫描曝光过程中保持不动；6)保持步骤5)中面积为AX 3d的潜像条纹锁定，直到基板左边缘离开曝光光束的右边缘，整个扫描曝光过程结束；取下基板，显影得到浮雕光栅。
[0007]所述步骤2)中，面积为AXd的潜像光栅用放置在基板下方或者侧方的参考光栅代替，并将用参考光栅上产生的干涉条纹锁定代替步骤5)中的用潜像条纹锁定。
[0008]所述步骤3)中，探测器采用光电倍增管和电子倍增电荷耦合器件中的一种。
[0009]所述步骤4)中，对位于面积为AX3d区域左侧的面积为AXd的区域进行线性曝光，其具体过程为:在面积为AX3d区域左侧的面积为AXd的区域上方遮挡一挡板，挡板将该区域上方的光束完全遮挡；开始曝光后，将挡板以V = d/t的速度相对于基板沿-X方向匀速拉开，使得面积为AXd的区域被曝光，且曝光时间沿X方向呈线性变化，该面积为AXd的区域右端的曝光时间为t，左端的曝光时间为O。
[0010]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明由于首先采用宽度为准直透镜口径1/10?1/5的光束在基板一侧曝光得到一条工艺边，通过在设置的双光束曝光系统中增设衰减光楔，在工艺边上形成潜像条纹；其次在设置的双光束曝光系统中增设探测器和声光调制器，对探测器探测到的潜像条纹上的变化，通过声光调制器进行补偿，使得潜像条纹保持不动；然后，采用曝光光束对工艺边左侧面积为AX3d的区域进行静止曝光，对位于面积为AX3d的区域左侧面积为AXd的区域进行线性曝光，利用衰减光楔使得面积为AX 3d的静止曝光区域产生潜像条纹；最后，在对面积为AX 3d的潜像条纹进行锁定的基础上，对面积为AX3d的区域左侧的全部区域进行扫描曝光，扫描基板的长度不受准直透镜口径的制约，因此采用本发明能够制造出大尺寸全息光栅。2、本发明由于采用宽度为准直透镜口径1/10?1/5的光束沿光栅矢量对基板进行扫描曝光，因此本发明能够克服已有曝光拼接方法存在的接缝问题，也不需要与光栅面积相当的大口径非球面镜。3、本发明由于通过锁定潜像光栅干涉条纹或者参考光栅干涉条纹的位相和姿态，能够消除影响扫描效果的位相误差、栅线不平行和光栅周期误差等，因此本发明能够实现光栅位相、栅线方向和光栅周期的锁定，且锁定系统简单、精度较高，而不需要像现有技术中扫描曝光那样复杂的双频位相测量与条纹锁定系统。4、本发明由于宽光束扫描曝光使得基板上一个点历经曝光光束上多个点的照射，一方面通过扫描的平均效果实现对微观结构的平滑作用，减小甚至消除曝光光束中的高频误差，直接降低杂散光；另一方面扫描过程中基板上沿光栅矢量的各点历经完全相同的曝光过程，可以改善曝光均匀性，降低像差，间接降低杂散光；因此本发明能够制作低杂散光的光栅。基于以上优点，本发明可以广泛应用于大尺寸或低杂散光全息光栅的制作中。
【附图说明】
[0011]图1是本发明宽光束扫描曝光方法中的光路示意图；
[0012]图2是本发明宽光束扫描曝光方法中各步骤示意图；其中，阴影区域表示用于产生潜像条纹。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0014]本发明宽光束扫描曝光方法的工作原理为:在锁定曝光光束相对基板的位相和姿态的基础上，用准直透镜口径1/10到1/5宽的光束沿光栅矢量扫描曝光。可以根据实际需要调整光束宽度，窄光束质量好，但需要的曝光时间长；宽光束质量相对差，但需要的曝光时间短。在曝光过程中，要求干涉场和基板严格地以相同的速度和方向移动(整个干涉场不动，但干涉场的位相在做平移)，否则基板表面涂覆的光刻胶里记录的干涉条纹就会被抹平。当基板依次通过宽光束被曝光，已曝光的部分产生的潜像光栅或者置于基板下方(或者侧方)的参考光栅用于条纹锁定，可以同时锁定位相、栅线方向和光栅周期。在扫描过程中，沿光栅矢量方向的曝光长度是不受限制的，且不会产生接缝，因此本发明宽光束扫描曝光方法是一种低成本、快速有效的制作大光栅的方法。同时，由于宽光束扫描曝光使得基板上一个点历经曝光光束上多个点的照射，可以平均掉光束中的高频误差，从而减小光栅槽形误差、粗糙度和栅距误差，因此本发明宽光束扫描曝光方法能够制作低杂散光的光栅。
[0015]本发明宽光束扫描曝光方法包括以下步骤:
[0016]I)如图1所不，设置一双光束曝光系统，其包括激光器1、分光镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第一显微物镜6、第二显微物镜7、第一针孔8、第二针孔9、第一准直透镜10、第二准直透镜11和涂覆光刻胶的基板12，激光器I发出的光束经分光镜2分成两束，第一束光经第一反射镜3反射后进入第一显微物镜6中，经第一显微物镜6聚焦后进入第一针孔8，经第一针孔8滤波后进入第一准直透镜10，经第一准直透镜10准直后成为第一平行光束；第二束光依次经第二、第三反射镜4、5反射后进入第二显微物镜7，经第二显微物镜7聚焦后进入第二针孔9，经