一种大尺寸衍射光栅的制作方法及曝光装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于大尺寸衍射光栅制作领域，尤其是涉及一种采用局部光场拼接工艺制作大尺寸衍射光栅的方法。
【背景技术】
[0002]大面积衍射光栅在天文物理、激光物理等领域都有不可替代的作用。衍射光栅的制备方法包括机械刻写、激光全息干涉等方法。其中机械刻写法一般只适合制作大栅线周期的光栅，制作精度和效率受到制约。激光全息干涉法通过对激光束分光、扩束和反射，在两扩束光斑相交区域，形成干涉条纹，在光刻胶上记录干涉条纹，如图1所示。经过显影、离子束刻蚀等工艺，获得衍射光栅，具有单次曝光面积相对大、效率高、成本低等优势。
[0003]但是，利用全息干涉法制备大口径衍射光栅存在如下三个问题:第一，光栅口径受到激光的相干长度制约。干涉法使用的激光束必须具有长相干长度，一般使用安装F-P标准具的Kr尚子激光器413.5nm波长，才有足够长的相干长度和输出功率。第二，隔振要求苟1刻。气浮平台是保证干涉条纹光路稳定记录的基本条件，全息记录对环境稳定性要求八分之一周期(<d/8)，比如周期为d = 400nm的衍射光栅，隔振平台的长时间稳定性< 50nm。第三，光栅均匀性受到光束质量和曝光稳定性制约。由于光斑是高斯分布，为得到均匀干涉条纹记录，须将光斑扩束范围增大，取中间部分的光斑曝光。随着扩束面积增大，全息记录时间变得很长，比如20分甚至I小时。显然，隔振平台也很难满足这样长时间的严格稳定性要求。为此，干涉条纹锁定技术应运而生，通过主动检测干涉条纹的变化，用压电陶瓷驱动光路的中的一个反射镜以保持在记录面干涉条纹的稳定性，保证在曝光时间内，干涉条纹稳定性达20nm。随着衍射光栅尺寸达米级，光斑扩束更大，强度下降几个数量级，即使用干涉条纹锁定技术，也很难满足长时间稳定记录的要求。
[0004]分区域拼接是克服上述问题制作超大口径衍射光栅的一种有效策略。加拿大、美国、日本、俄罗斯等国在大面积光栅的拼接技术方面处于领先地位。1997年日本Hitachi公司用36块衍射光栅拼接出面积为900*900mm2的大光栅，并成功应用于天文仪器。俄罗斯科学院的B.G.Turukhano等人利用带有压电微调机构的闭环控制干涉光学系统、精密水平移动滑台、标准参考光栅等设备，研究了理论上可拼出无限长(沿色散方向)的大面积全息光栅的拼接方法。利用这种方法他们实现了光栅常数为I微米，长度(沿色散方向)为1150mm的大面积全息光栅。中国专利200810155639.1公开了一种基于一块参考光栅与压电微调机构的大面积光栅拼接方法，中国专利200810155640.4公开了一种基于两块参考光栅与的压电微调机构的大面积光栅拼接方法。
[0005]与分区域拼接方法不同，美国麻省理工学院提出了一种扫描光斑拼接曝光技术，采微小光斑(200um-2mm)获得局部高质量的光栅，然后通过扫描与拼接在两个维度将微小光栅扩展成大面积光栅。这种技术采用光栅分光获得两路开放式的干涉光路分别进行整型与调控，最后进行干涉。系统配有光束转向、诊断与对位系统、高精度外差干涉定位系统、长尺度基准光栅、声光条纹锁定系统。可获得大面400纳米周期以下的均匀衍射光栅。
[0006]该分区域拼接方法，用中等面积的扩束光斑进行全息干涉曝光拼接，拼接区域仍然存在拼缝，特别是在垂直于光栅色散方向上述方法并不适用，而且，干涉曝光仍然依赖于长相干长度的激光光源，一旦没有长相干长度的激光光源，中等光斑的光学拼接方法，将不能进行。国际上，能够制造长相干长度的激光器的主要是美国企业。
[0007]利用上述扫描光斑拼接曝光技术可制作大面积衍射光栅，但是其存在如下缺陷:
[0008]1、系统复杂昂贵
[0009]2、开放式光路易受环境干扰，所以对使用环境的稳定性要求极高。
[0010]3、开放式光路其扫描光斑存在边缘衍射效应，影响拼接质量。
[0011]其中拼接质量的提高成了业内普遍关注的技术难题。影响像素光斑干涉条纹位相对准的因素有:像素光斑栅线与扫描方向的夹角，导致相连两个光斑的干涉条纹有位相差(错位)，参见图2。干涉条纹的错位量与光斑尺寸、栅线与扫描方向的夹角以及光栅周期相关。以500nm周期的光栅，可接受条纹的错位量容许误差<62.5nm(S卩1/8的周期
[0012]举例来说，2mm光斑，栅线与扫描方向的夹角为0.072度(360度/5000)，条纹的整体错位为Δ D = 2mmX tan(0.072) = 2513nm，对于周期为500nm光栅，则此时条纹错位量为Δ d= 2513nm-n*500nm= 13nm(n为2513nm下允许的最大整数个光栅周期，此处n = 5)，这是一个可接受的条纹错位。但是，采用开放式干涉光路，两束光斑的有直边衍射效应，导致光斑边缘不清晰，尺寸不确定，直接影响拼接处的条纹精度和品质。比如，在预定目标为2mm光斑实际可能为2.1mm，此时对于500nm周期光栅，条纹的整体错位为Δ D = 2.1mmX tan(0.072)=2639nm，其两次曝光的光斑的干涉条纹错位139nm，超出了 62.5nm最大容许量。而且，在两次干涉曝光之间仍有拼缝。
[0013]理论上，在光斑两次曝光之间，通过移动工作台或光刻头，使两者之间在每两次曝光时形成一个位移补偿，使得记录面干涉条纹对准，但是，记录面工作台或者光斑的整体平移，使得拼接处的光斑边缘错位，形成如图3的效果。因此，工作台平移或光斑整体平移不可行。
[0014]因此，精确控制光斑大小和干涉条纹与扫描方向的夹角精度，是实现光栅拼接的关键因素。已有方法，很难实现上述功能。
【发明内容】
[0015]有鉴于此，本发明的其一目的在于提供一种大尺寸衍射光栅制作方法，解决分区域拼接曝光法在垂直于光栅色散方向上的拼接困难。同时解决扫描光斑拼接曝光技术中由于开放式光路引入的干扰问题以及扫描光斑拼接曝光技术中的光斑边缘衍射引入的误差。
[0016]本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的曝光装置，该曝光装置基于双远心投影缩微光学干涉系统和消零级位相光栅，利用小光斑干涉平铺曝光拼接，来实现大尺寸衍射光栅的制备。
[0017]根据本发明的目的提供的一种大尺寸衍射光栅的制作方法，其采用小尺寸光栅拼接而成，所述小尺寸光栅由单个光斑曝光而成，拼接时，通过调制后曝光光斑内部条纹位置，抵消与前一光斑内部条纹之间的错位，实现光斑拼接过程中的光栅条纹对准，其中调制该后光斑内部条纹位置的方法基于两级缩微模块和消零级位相光栅实现，第一级缩微模块为4F成像系统，第二级缩微模块为双远心缩微投影干涉成像系统，该第二级缩微模块具有比第一级缩微模块更大的缩微倍数，且该第一缩微模块的成像面构成该第二级缩微模块的输入面，该第二缩微模块的输出面构成曝光成像时的记录面，其中第一级缩微模块包括第一傅立叶变化透镜或透镜组与第二傅立叶变化透镜或透镜组，所述消零级位相光栅位于该第一傅立叶变化透镜或透镜组与第