一种虚实光栅对准方法与流程

本发明涉及拼接光栅，具体涉及一种虚实光栅对准方法。

背景技术：

1、衍射光栅其内部或表面上存在周期排列的槽、线、缝或点阵结构，对入射光产生衍射，是一种重要的衍射光学元件。

2、在一些应用场景中，如高功率激光装置，使用衍射光栅将激光脉宽从纳秒压缩至皮秒或飞秒，以实现拍瓦（1015w）甚至更高功率的激光输出，之后对压缩的激光光束进行聚焦，可用于超快超强物理研究。很遗憾，由于光学元件材料的抗损伤阈值有限，比如压缩器的核心光学元件——多层介质膜衍射光栅的抗激光损伤阈值大约为1j/cm2，无法承载比阈值更大的功率密度。

3、为了获得高功率，在所能承载的最大功率密度一定的情况下，能够通过增大衍射光栅面积来提高系统输出功率。根据科学需求，应用的衍射光栅是在长度近2000mm的石英玻璃表面，制作密度为1740线/mm的周期性沟槽结构，如图6所示。

4、使用两束相干平面波（光束）以一定夹角（2θ）相交，在重叠区域发生干涉，产生明暗相间的干涉条纹，对涂有光刻胶的基底进行曝光显影，即干涉光刻，是一种衍射光栅图形最常用的产生方式，如图7所示。光刻胶记录的光栅图形最大尺寸受限于参与干涉的双光束直径，即受准直透镜（作用：将球面波准直成平面波）的口径所限制。由于受到透镜材料及光学加工水平的限制，超过1m的准直透镜价格较为昂贵，同时制造起来也比较困难。

5、解决上述问题的有效方法之一是拼接曝光（mosaic exposure or stitchingexposure），即利用有限的光束直径，通过多次曝光产生远大于曝光光束直径的光栅图形，如图8所示。先利用干涉光刻工艺产生光栅沟槽结构，再移动基底进行下一次曝光。在开始第二次曝光之前，需要使干涉条纹（称之为虚光栅，因为其只是明暗相间的条纹图案）与上一次经曝光显影获得的一部分既成光栅（称之为实光栅，因为其已经存在于基底表面）完全重合，这个过程称为虚实光栅对准。虚实光栅对准后再进行下一次曝光和显影，在基底上产生第二个光栅沟槽结构，两个光栅沟槽结构之间极可能有一个拼缝。如此操作，拼缝两边的光栅沟槽结构完全平行，且任意两条沟槽之间的距离是光栅周期的整数倍。通过这种拼接曝光方式，整个大口径的基底上都可以制作出相同的光栅结构。按照拼接曝光方式形成的光栅，在衍射一个大口径的平面波时，衍射光束也是一个完整的平面波（即使有为数不多的几个拼缝）。进一步，理想情况下，上述平面波将可以被聚焦成一个光斑，获得高功率密度；相反，如果下一次曝光前，虚实光栅没有对准，则聚焦后形成的光斑将会分裂，无法获得高功率密度。

6、上述方法用较小口径设备，经过多次拼接，制作口径大于单次曝光所能获得最大尺寸的光栅结构，原则上可以制作尺寸不受限制的超大口径衍射光栅。然而，这种方法需要解决一个重要问题——在进行下一次曝光前如何判断虚实光栅是否对准。目前使用的方法是，在完成第二个光栅结构后，利用波面干涉仪直接测量一个平面波同时照射两次干涉光刻产生的实光栅形成衍射光束之间的波面误差，通过干涉图分析拼接对准误差。

7、这里的问题在于，检测得到的对准误差既包括第二次曝光前虚光栅与已有实光栅（光刻胶光栅）之间的对准误差，同时也包括已有实光栅轮廓参数（如沟槽深度、沟槽宽度和侧壁陡直度等）引起的波面误差。此外，光刻胶层是在曝光前用设备一次性涂布的，光刻胶厚度（一定程度上等于光刻后形成的光栅沟槽深度）是不均匀的，而且两次曝光剂量和显影时长也无法做到严格一致。上述两个因素导致了拼缝两边的实光栅轮廓参数必然不一致，直接导致拼接过程检测的对准误差并不能有效反映光栅栅线的真实对准情况，给对准精度的判断带来了严重干扰，结果可能出现：1）实际对准精度很低，因为受到已有实光栅轮廓参数不一致的影响，显示对准精度很高，光栅完成后续工艺并去除光刻胶后，才发现真实对准精度很低，此时光栅已经无法返工，成为不合格品；（2）实际对准精度很高，但因为受到已有实光栅轮廓参数影响，显示对准精度很低，不断返工，显著降低光栅制作效率。

8、基于上述问题，发展了诸如像差补偿等多种辅助措施来改善对准精度，但问题依然存在，且效果不稳定。后来出现了使用“潜像”光栅进行虚实光栅对准，即在第一次曝光后，不显影产生表面浮雕的实光栅，而仅仅是在光刻胶内形成光刻胶性质周期性变化的又一个虚光栅的对准方法，采用这种方法探测器获得的信号非常弱，给虚实光栅对准带来了新的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种虚实光栅对准方法，能够有效克服现有技术所存在的制作拼接光栅时无法准确判断干涉光刻形成的光栅结构是否对准的缺陷。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、一种虚实光栅对准方法，在双光束干涉光刻光路中，将实光栅置于双光束干涉场并与虚光栅重叠，通过调节实光栅姿态，使得重叠区域中虚实光栅干涉在实光栅表面产生的莫尔条纹为零条纹，将实光栅调节至与虚光栅平行；

4、平行移动实光栅，找到实光栅在两个方向上的衍射光强相等的交点，并对这些交点对应的位置进行提前标定，后续虚实光栅对准时以标定位置作为虚实光栅重合标志；

5、其中，虚光栅为由两个平面波之间形成的干涉条纹。

6、优选地，包括以下步骤：

7、s1、将实光栅置于双光束干涉场并与虚光栅重叠，虚实光栅干涉在实光栅表面产生莫尔条纹；

8、s2、调节实光栅姿态，使得莫尔条纹的周期越来越大，当整个重叠区域零条纹时，实光栅与虚光栅平行；

9、s3、沿垂直于光栅沟槽方向平行移动实光栅，在实光栅的一侧，探测并记录实光栅在两个方向上的衍射光强变化情况；

10、s4、找到实光栅在两个方向上的衍射光强相等的交点，并确定这些交点中对应虚实光栅重合的目标交点；

11、s5、在光路中对目标交点对应的位置进行提前标定，后续虚实光栅对准时以标定位置作为虚实光栅重合标志。

12、优选地，s1中将实光栅置于双光束干涉场并与虚光栅重叠之前，包括：

13、在双光束干涉光刻光路中，通过调节相应光学器件使得虚光栅的周期与实光栅的周期相同。

14、优选地，s3中在实光栅的一侧，探测并记录实光栅在两个方向上的衍射光强变化情况，包括：

15、在实光栅一侧的透射区域或者反射区域，利用探测器p1探测0级衍射光rr0与+1级衍射光dl+1之间的干涉光场强度i1，利用探测器p2探测0级衍射光rl0与－1级衍射光dr－1之间的干涉光场强度i2。

16、优选地，s4中找到实光栅在两个方向上的衍射光强相等的交点，并确定这些交点中对应虚实光栅重合的目标交点，包括：

17、找到实光栅在两个方向上的衍射光强相等的交点，并对这些交点进行分类；

18、对于分类后的交点，利用波面干涉仪检测出对应虚实光栅重合的一类交点，并将该类交点作为目标交点。

19、优选地，所述实光栅在两个方向上的衍射光强相等的交点分为两类，一类为干涉光场强度i1下降与干涉光场强度i2上升的交点，另一类为干涉光场强度i1上升与干涉光场强度i2下降的交点；

20、两类交点中其中一类交点代表虚实光栅重合，另一类交点代表虚实光栅相差半个周期。

21、优选地，所述实光栅的制作方法，包括：

22、在双光束干涉光刻光路中，两个平面波ir、il之间相交，产生干涉条纹，即虚光栅；

23、将涂有光刻胶的基底置于干涉条纹中，曝光显影产生浮雕光栅，即实光栅。

24、与现有技术相比，本发明所提供的一种虚实光栅对准方法，具有以下有益效果：

25、1）本技术中只要光栅具有对称槽形轮廓，虚实光栅的对准情况就与光栅轮廓参数无关，相较于现有检测方法——采用波面干涉仪直接测量一个平面波同时照射两次干涉光刻产生的实光栅形成衍射光束之间的波面误差，通过干涉图分析拼接对准误差，本技术中虚实光栅对准方法的对准精度不受已有实光栅轮廓参数的影响，能够显著提升虚实光栅对准的精度和可靠性；

26、2）本技术提供了一种在线检测虚实光栅对准的方法，现有判断虚实光栅的对准方法——必须完成两次曝光，之后使用波面干涉仪检测两个实光栅组成拼接光栅的衍射波前，根据波前误差分析判断虚实光栅的对准情况，是一种事后、间接的判断虚实光栅对准的方法，而本技术相较于现有检测方法更加方便、快捷，能够显著提高对准的工作效率和成功率；

27、3）本技术用以判断虚实光栅栅线重合的判据——两个方向上的干涉光场强度相等，其中所探测的光场强度可以是透射干涉光场，也可以是反射光场，效果相同，本技术虽然需要在光路中对虚实光栅栅线重合对应的位置进行提前标定，但对于同一光路只需要标定一次，相较于现有检测方法中每次对准均要使用昂贵的波面干涉仪，尤其大口径光栅需要大口径的波面干涉仪，本技术所采用的方法简单有效、成本低、实用性更强；

28、4）本技术在虚实光栅对准的过程中，需要使实光栅与虚光栅之间相对移动，并探测实光栅在两个方向上的衍射光强变化情况，以确定虚实光栅对准的位置，可以采取移动实光栅，也可以采取移动虚光栅，可以向左移动，也可以向右移动，均不影响对准结果，适用于不同大小、不同重量、不同类型的实光栅与虚光栅的对准。