一种拼接光栅对准精度检测方法与流程

本发明涉及拼接光栅，具体涉及一种拼接光栅对准精度检测方法。

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，如果两次干涉光刻制作的实光栅之间的对准精度较低，则聚焦后形成的光斑将会分裂，无法获得高功率密度。

6、同样，也可以用多块小光栅基底，分别制作相同周期的光栅结构，根据光栅性能指标，光栅的轮廓参数（比如槽深和槽宽等）可以有细微差别，再通过机械结构，将多块小光栅拼接在一起，保持缝宽（实际是两块光栅之间的距离）是拼缝的整数倍，也可以实现图8所示的大口径衍射光栅。

7、上述两种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，将它们统称为拼接光栅。

8、对于已经制作完成的拼接光栅，需要对相邻两个实光栅的对准精度进行准确检测。目前使用的方法是，利用波面干涉仪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。这里的问题在于，两个实光栅（光刻胶光栅）轮廓参数（如沟槽深度、沟槽宽度和侧壁陡直度等）将显著影响对准精度检测结果。

技术实现思路

1、针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种拼接光栅对准精度检测方法，能够有效克服现有技术所存在的不能对拼接光栅的对准精度进行准确检测的缺陷。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、一种拼接光栅对准精度检测方法，在双光束干涉光刻光路中，将待检测拼接光栅置于双光束干涉场并与虚光栅重叠，通过调节待检测拼接光栅姿态，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位置；

4、平行移动待检测拼接光栅，找到两个光束分别经拼缝两侧实光栅产生的衍射光强相等的交点，利用交点计算拼缝两侧实光栅的对准精度；

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、将待检测拼接光栅置于双光束干涉场，使得虚光栅同时与拼缝两侧实光栅及拼缝本身重叠，虚实光栅干涉在实光栅表面产生莫尔条纹；

8、s2、调节待检测拼接光栅姿态，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待检测拼接光栅，在待检测拼接光栅的一侧，探测并记录两个光束分别经拼缝两侧实光栅产生的衍射光强变化情况，得到衍射光强变化曲线；

10、s4、找到两个光束分别经拼缝两侧实光栅产生的衍射光强相等的交点，利用交点计算拼缝两侧实光栅的对准精度。

11、优选地，s1中将待检测拼接光栅置于双光束干涉场之前，包括：

12、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待检测拼接光栅的周期相同。

13、优选地，s3中在待检测拼接光栅的一侧，探测并记录两个光束分别经拼缝两侧实光栅产生的衍射光强变化情况，得到衍射光强变化曲线，包括：

14、在待检测拼接光栅一侧的透射区域或者反射区域，利用探测器p-l1探测两个光束入射至拼缝左侧实光栅产生的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p-l2探测两个光束入射至拼缝左侧实光栅产生的0级衍射光rl0与－1级衍射光dr－1之间的干涉光场强度i2；

15、同时，利用探测器p-r1探测两个光束入射至拼缝右侧实光栅产生的0级衍射光r’r0与+1级衍射光d’l+1之间的干涉光场强度i3，利用探测器p-r2探测两个光束入射至拼缝右侧实光栅产生的0级衍射光r’l0与－1级衍射光d’r－1之间的干涉光场强度i4。

16、优选地，s4中找到两个光束分别经拼缝两侧实光栅产生的衍射光强相等的交点，包括：

17、选定探测器p-r1探测到的干涉光场强度i3与探测器p-r2探测到的干涉光场强度i4相等的交点jr1；

18、在探测器p-l1探测到的干涉光场强度i1与探测器p-l2探测到的干涉光场强度i2相等的交点中，确定与交点jr1相邻的交点jl1、jl2，并筛选出与交点jr1最近的交点jt。

19、优选地，s4中利用交点计算拼缝两侧实光栅的对准精度，包括：

20、将交点jr1、jt之间对应待检测拼接光栅的位移与衍射光强变化曲线变化一个周期t对应的位移的比值，作为拼缝两侧实光栅的对准精度；

21、具体采用下式计算拼缝两侧实光栅的对准精度a：

22、，

23、其中，为交点jr1对应待检测拼接光栅的位置，为交点jt对应待检测拼接光栅的位置，xt为衍射光强变化曲线变化一个周期t对应的位移。

24、优选地，s4中利用交点计算拼缝两侧实光栅的对准精度，包括：

25、将交点jr1、jt之间对应待检测拼接光栅的移动时间与衍射光强变化曲线的周期t的比值，作为拼缝两侧实光栅的对准精度；

26、具体采用下式计算拼缝两侧实光栅的对准精度a：

27、，

28、其中，为交点jr1对应待检测拼接光栅的移动时刻，为交点jt对应待检测拼接光栅的移动时刻。

29、优选地，所述待检测拼接光栅的制作方法，包括：

30、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；

31、将涂有光刻胶的基底置于干涉条纹中，通过拼接曝光方式分两次制作光栅结构，两次制作的光栅结构之间存在拼缝，得到具有拼缝及拼缝两侧实光栅的待检测拼接光栅；

32、其中，拼缝两侧实光栅的周期相同。

33、与现有技术相比，本发明所提供的一种拼接光栅对准精度检测方法，具有以下有益效果：

34、1）本技术中只要光栅具有对称槽形轮廓，检测两个实光栅之间的对准精度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个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，本技术中拼缝两侧实光栅的对准精度不受实光栅轮廓参数的影响，能够显著提升检测的精度和可靠性；

35、2）本技术实质是通过虚光栅分别与两个实光栅栅线重合，来检测拼缝两侧实光栅的对准精度，探测器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，并且用以检测的光路可以是制作光栅的光路，也可以是另外一个光路，使用的波长可以与制作待检测拼接光栅的波长不同，只要虚光栅的周期与实光栅相同即可，不需要重新构建新的光路或设备，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、便捷、有效、成本低、实用性更强；

36、3）本技术在检测拼接光栅中相邻两个实光栅对准精度的过程中，需要使实光栅与虚光栅之间相对移动，并探测拼缝两侧实光栅在两个方向上的衍射光强变化情况，以计算拼缝两侧实光栅的对准精度，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，均不影响检测结果，适用于检测不同大小、不同重量、不同类型的实光栅的对准精度。