CN100592212C - 光栅离子束刻蚀的光学在线检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及衍射光学、微细制作等科学领域，具体涉及扫描离子束刻蚀中在线光学扫描检测装置与方法。该装置包括离子束刻蚀工作台、置于离子束刻蚀系统真空室内的光学平面反射镜及置于真空室外的激光器、光电探测器、数字电压表和计算机数据采集系统，激光器所在位置能保证入射光束经反射镜后，经待刻蚀光栅衍射沿原路返回到反射镜，被置于该衍射方向上的光电探测器接收；光电探测器将该光信号经数字电压表进行模数转换后输入到计算机数据采集系统中进行输出显示和存储。其检测方法是根据计算机显示器上显示的负一级衍射强度一维分布曲线形状，确定被刻蚀光栅的刻蚀终点。本方法综合考虑了不同时刻的光栅衍射强度一维空间分布，能精确地控制光栅的最佳刻蚀截止时间。

Description

光栅离子束刻蚀的光学在线检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及衍射光学、微细制作等科学领域，具体涉及一种研制衍射光栅的扫描离子束刻蚀的在线光学扫描检测装置与方法。

背景技术

离子束刻蚀技术在衍射光栅、二元光学元件、微结构制作等方面发挥了重要作用。目前很多离子束刻蚀工艺还是通过刻蚀时间来控制材料的刻蚀深度，这样控制刻蚀时间的前提是材料的刻蚀速率在不同的刻蚀实验中接近常数。但是，由于材料的离子束刻蚀过程复杂，很多不确定因素都会影响材料的刻蚀特性，使得实际的刻蚀速率不稳定。如果只是简单地由刻蚀时间来控制刻蚀深度，不可能根据实际刻蚀条件的变化动态、实时地调整刻蚀时间来控制刻蚀深度。而对于衍射光栅而言，纳米量级的刻蚀深度误差有可能严重地影响元件的衍射特性。因此，衍射光栅离子束刻蚀过程的在线、实时监测十分必要。

衍射光栅的离子束刻蚀过程中，随着刻蚀时间的增加，光栅的刻蚀深度增加，相应光栅的衍射效率(衍射光强度)也随之改变。已公开文献中的监测方法一般是通过监测光栅上某一确定位置衍射强度随刻蚀时间增加而产生的变化确定光栅离子束刻蚀截止时间。例如2005年中国光学快报3(2)期pp.63-65所报道的“多层介质膜光栅离子束刻蚀的实时终点监测”(In-Situ end-point detection during ion-beam etching ofmultilayer dielectric gratings，Hua Lin，Lifeng Li and Lijiang Zeng，Chin.Opt.Lett.2005，3(2)，pp.63-65)文献等。这种监测方法可行的前提是监测点光栅衍射效率(衍射光强度)的变化趋势和幅度与其它区域光栅衍射效率(衍射光强度)的变化趋势和幅度完全同步、一致。

事实上，以全息-离子束刻蚀光栅为例，由于光刻胶厚度的均匀性、全息曝光均匀性等因素，使得离子束刻蚀所用掩模-初始光刻胶光栅的槽形在光栅上不完全一致，导致光栅面积上不同位置的初始光刻胶光栅的衍射效率不同，离子束刻蚀过程中，不同位置的光栅衍射效率随时间的变化趋势和幅度也不相同。因此，上述方法只能通过实时监测光栅某一固定位置上衍射强度随刻蚀时间变化的特征点来确定最佳刻蚀终点，由此确定的最佳刻蚀终点，只对应光栅衍射强度监测点处的最佳刻蚀终点。由于未考虑光栅衍射强度的空间分布在刻蚀过程中的变化，对光栅整体而言，往往不是最佳的离子束刻蚀终点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种采用扫描离子束刻蚀与光学在线检测装置及扫描检测方法，通过在线检测光栅衍射强度一维空问分布随刻蚀时间的变化，解决精确控制光栅刻蚀时间终点的问题。

本发明的技术解决方案如下：

本发明所述光栅离子束刻蚀的光学在线检测装置，包括放置待刻蚀光栅的离子束刻蚀工作台，该工作台能在+x和-x方向移动，它的法线与刻蚀机窗口的法线平行，其特征在于，该装置还包括一光学平面反射镜、激光器、光电探测器、数字电压表和计算机数据采集系统，其中，光学平面反射镜置于离子束刻蚀系统的真空室内，并由一可转动支架支撑，使其镜面与离子束刻蚀工作台的工作平面的夹角能在0□90°内调节，从该反射镜中心到工作台的距离与到刻蚀机窗口的距离相近或相等；所述激光器、光电探测器、数字电压表和计算机数据采集系统置于离子束刻蚀系统的真空室外，其中激光器和光电探测器在刻蚀机窗口近处，并且激光器所在位置，能保证激光入射光束经反射镜后，以待刻蚀光栅的自准直角附近入射到待刻蚀光栅表面，再经待刻蚀光栅衍射沿着与入射光的反方向原路返回到反射镜，并通过刻蚀机窗口，被置于该衍射方向上的光电探测器接收，以采集待刻蚀光栅不同位置上的一维衍射强度分布信息；光电探测器靠近激光器，置于衍射光与入射光偏离角度在0□5°的范围内，以保证探测器光敏面可接收到全部衍射光，光电探测器将接收到的光信号，经光电转换、放大后由光电探测器的两个输出端连接至数字电压表的两输入端，该数字电压表再将此模拟信号进行模数转换后输入到计算机数据采集系统中，进行输出显示和存储；所述激光器的波长与待刻蚀光栅的工作波长相同或相近。

本发明所述光栅离子束刻蚀的光学在线检测方法，使用上述光栅离子束刻蚀的光学在线检测装置，其特征在于，检测步骤为：

1.首先根据待刻蚀光栅的工作波长选择合适的激光器，然后调整待刻蚀光栅在线检测光路，使光电探测器上能直接得到待刻蚀光栅的衍射强度信息：将待刻蚀光栅固定在二作台上，然后根据刻蚀离子束入射的位置，调整并确定工作台、激光器、光电探测器、反射镜的位置，使激光器发出的入射光束经反射镜后以待刻蚀光栅的自准直角附近入射到待刻蚀光栅，再经待刻蚀光栅衍射沿着与入射光的反方向原路返回到反射镜，并通过刻蚀机窗口，被置于该衍射方向上的光电探测器接收。光电探测器靠近激光器，置于衍射光与入射光偏离角度在0□5°的范围内，以保证探测器光敏面可接收到全部衍射光。

2.检测待刻蚀光栅初始的负一级衍射强度一维分布：

平移工作台，激光束经刻蚀机窗口、平面反射镜按照顺序依次照射到待刻蚀光栅的不同位置上，当待刻蚀光栅的一端随离子束刻蚀工作台移动到激光束在离子束刻蚀工作台投射位置的另一端时，光电探测器接收到初始刻蚀深度为零时待刻蚀光栅负一级衍射强度的一维空间分布的模拟信号，并将该模拟输出信号通过数字电压表和数据采集系统输入到计算机中，由此得到初始刻蚀深度为零时待刻蚀光栅负一级衍射强度的一维空间分布曲线，并在计算机显示器上显示。

3.在线检测被刻蚀光栅随刻蚀深度的变化时负一级衍射强度一维分布的变化：

启动离子束刻蚀过程，工作台沿+x和-x方向平移，使被刻蚀光栅经过离子束覆盖的区域，进行被刻蚀光栅的离子束刻蚀。随后，当被刻蚀光栅进入到激光束的投射区域时，光电探测器接收到刻蚀过程中被刻蚀光栅的负一级衍射强度的一维空间分布的模拟信号，并将该模拟输出信号通过数字电压表和输入到计算机数据采集系统中。被刻蚀光栅随工作台在离子束覆盖区域和激光束在工作台的投射区域每往返一次，被刻蚀光栅的刻蚀深度即随之加深一次，光电探测器也在线接收到相应的一维空间分布的模拟信号，并通过数字电压表输入到计算机数据采集系统中，由此得到被刻蚀光栅在不同刻蚀深度时的负一级衍射强度的一维空间分布曲线，并在计算机显示器上显示。

4.根据计算机显示器上显示的负一级衍射强度一维分布曲线形状，确定被刻蚀光栅的刻蚀终点：

在被刻蚀光栅被刻蚀的过程中，随着刻蚀深度的加深，在线检测到的被刻蚀光栅的负一级衍射强度也会随之变化，通常随着刻蚀深度的增加，光栅衍射光强分布的趋势由高到低，再升高，当显示器上显示的负一级衍射强度一维分布曲线(1)相邻两次曲线的比值趋于1，(2)并且最后一次曲线的均匀性指标Δ满足被刻蚀光栅的工作要求(通常在1％-5％范围内)时，表示被刻蚀光栅已经达到设定刻蚀深度要求，即关闭离子束刻蚀工作。其中，最后一次曲线的光栅负一级衍射强度均匀性可按如下公式计算得到：Δ＝[(I_max-I_min)/(I_max+I_min)]，I_max和I_min分别为最后一次曲线上，光栅不同位置的负一级衍射光强最大值和最小值。

本发明所述光栅离子束刻蚀的光学在线检测方法，能精确控制刻蚀终点的机理如下：在离子束刻蚀过程中，通常无法直接对被刻蚀光栅的刻蚀深度进行直接的检测，但是对于被刻蚀光栅来说，刻蚀深度的变化，其衍射效率会随之变化。由于被刻蚀光栅(负一级)衍射效率(η)等于入射光经被刻蚀光栅后产生的(负一级)衍射光强度(I_d)与光栅接收到的入射光强(I₀)的比值，而且，被刻蚀光栅接收到的入射激光束光强(I₀)可以认为是一个常数，因此，被刻蚀光栅的(负一级)衍射效率(η)与其(负一级)衍射光强度(I_d)的变化趋势是一致的。也就是说，在线检测被刻蚀光栅的(负一级)衍射强度就能够反映其刻蚀深度的变化信息。

本发明的光栅离子束刻蚀的光学在线检测装置，所涉及的设备少，制作费用较低，并且本领域的工作人员能比较方便地实现。在本装置上利用本发明的光学在线检测方法，能有效实现衍射光栅离子束刻蚀过程的在线检测与刻蚀终点的精确控制，不但具有一般光栅离子束刻蚀实时监测终点控制的优点，如：在线、动态调整离子束刻蚀时间，可一次性、准确地完成理论设计的刻蚀深度；对光栅本身没有任何损伤；而且，如果事先对光栅衍射强度监测系统中各部分的传输特性进行标定，在监测的同时，可以同时得到光栅衍射效率的一维分布。

与一般的监测光栅上某一固定位置的衍射强度随刻蚀时间变化的监测方法相比，本方法综合考虑了光栅衍射强度一维空间分布，及在刻蚀过程中不同时刻的光栅衍射强度一维空间分布，能科学、全面、精确地控制光栅的最佳刻蚀截止时间，还能极大地提高光栅的研制效率。实验表明，通过判断光栅衍射强度分布的均匀性确定的光栅离子束刻蚀终点度比监测光栅某一固定位置衍射强度的变化更科学。

下面通过附图和实施例作出进一步说明。

附图说明

图1为本发明衍射光栅扫描离子束刻蚀在线检测装置的实施例示意图。

图2是一种衍射光栅扫描离子束刻蚀在线检测曲线特征图。

实施例

参见图1，1为离子束刻蚀机射出的离子束，2为离子束刻蚀机的工作台，该工作台能沿+x和-x方向平移，被刻蚀光栅3固定在工作台的工作面上，离子束入射方向与工作台的工作面垂直。图中的长方形框10表示离子束刻蚀系统的真空室，光学平面反射镜4设置在该真空室内的可转动支架上。5为刻蚀机窗口，6为扫描刻蚀监测用红外激光器，光学平面反射镜4的反射面与光栅离子束刻蚀工作台的工作平面的夹角能在0□90°内调节，进行光路调整时，使激光器所在位置能保证入射光束经反射镜后以被刻蚀光栅的自准直角附近入射被刻蚀光栅表面，衍射光沿着与入射光的反方向原路返回到反射镜，并反射向刻蚀机窗口，被置于该衍射方向上的光电探测器7接收，该光电探测器为监测光栅衍射强度用光电探测器，8为数字电压表，9为计算机数据采集系统。

本实施例中，所述离子束刻蚀机的真空室尺寸□1.2m×1m×1m(x×y×z)，工作台尺寸450mm×450mm(x×z)，工作台x方向行程□500mm。工作台距离刻蚀机窗口□700mm，反射镜距离刻蚀机窗口□350mm。所使用平面反射镜为热蒸发方式的镀铝反射镜，尺寸□50mm×50mm。

所使用的红外激光器是MIL100型红外半导体激光器，工作波长1064nm，与被刻蚀光栅的工作波长相同。所使用的光电探测器是LTP-200型激光功率计，所使用的数字电压表是FLUKE45双显示数字电压表。

下面以工作波长为1064nm的衍射光栅扫描离子束刻蚀过程中其衍射强度的在线光学检测为例。

首先选择激光器工作波长为1064nm，与待刻蚀光栅的工作波长相同。然后调整待刻蚀光栅负一级衍射光强的在线检测光路，将待刻蚀光栅3竖直固定于工作台上。选择并固定在线检测光路中的激光器、反射镜、光电探测器的位置，保证在工作台平移时光电探测器上能接收到待刻蚀光栅的衍射光。激光器6发出的光线(入射光I₀)经刻蚀机窗口5、反射镜4，以被刻蚀光栅3在此波长的自准直角度附近入射到被刻蚀光栅表面，如图1所示，被刻蚀光栅(-1)级衍射光(I_-1)再经反射镜4、刻蚀机窗口5被光电探测器7接收，光电探测器输出模拟信号经数字电压表，输入到计算机数据采集系统中，实现被刻蚀光栅刻蚀情况的在线检测。

图2是利用如图1的在线检测装置，在线检测得到的被刻蚀光栅负一级衍射光强度一维空间分布曲线。图中给出了光栅负一级衍射光强度一维空间分布随时间变化的全过程。其中横轴是刻蚀时间，纵轴是光栅的负一级衍射光强度。由该图可以看出，被刻蚀光栅在离子束刻蚀过程中，共在线检测了13次光栅一维衍射强度分布，对应的检测曲线分别为a、b、c、……、k、l和m。随刻蚀深度的增加，在刻蚀的初始阶段，光栅衍射光强下降(对应图2中曲线a、b和c)；然后，光栅衍射光强升高(对应图2中曲线c、d、e、f、g、h、i、j、k和l)；最后，衍射强度不再升高(对应图2中的曲线l-m)，曲线m与曲线l的比值趋于1，并且曲线m对应被刻蚀光栅负一级衍射强度分布的均匀性Δ＜4％，满足此光栅的工作要求Δ＜5％，表明被刻蚀光栅已经达到设定刻蚀深度要求，在M处停止离子束刻蚀。

Claims (4)

1.一种光栅离子束刻蚀的光学在线检测装置，包括放置待刻蚀光栅的离子束刻蚀工作台，该工作台能在+x和-x方向移动，它的法线与刻蚀机窗口的法线平行，其特征在于，该装置还包括一光学平面反射镜、激光器、光电探测器、数字电压表和计算机数据采集系统，其中，光学平面反射镜置于离子束刻蚀系统的真空室内，并由一可转动支架支撑，使其镜面与离子束刻蚀工作台的工作平面的夹角能在0-90内调节，从该反射镜中心到工作台的距离与到刻蚀机窗口的距离相近或相等；所述激光器、光电探测器、数字电压表和计算机数据采集系统置于离子束刻蚀系统的真空室外，其中激光器和光电探测器在刻蚀机窗口近处，并且激光器所在位置，能保证激光入射光束经反射镜后，以待刻蚀光栅在工作波长的自准直角附近入射到待刻蚀光栅表面，再经待刻蚀光栅衍射沿着与入射光的反方向原路返回到反射镜，并通过刻蚀机窗口，被置于在待刻蚀光栅衍射方向上的光电探测器接收；光电探测器靠近激光器，置于衍射光与入射光偏离角度在0-5°的范围内；光电探测器将接收到的光信号，经光电转换、放大后由光电探测器的两个输出端连接至数字电压表的两输入端，该数字电压表再将此模拟信号进行模数转换后输入到计算机数据采集系统中，进行输出显示和存储；所述激光器的波长与待刻蚀光栅的工作波长相同或相近。

2.使用如权利要求1所述光学在线检测装置的检测方法，其特征在于，检测步骤为：

(1)首先根据待刻蚀光栅的工作波长选择合适的激光器，然后调整待刻蚀光栅在线检测光路，使光电探测器上能直接得到待刻蚀光栅的衍射强度信息；(2)检测待刻蚀光栅初始位置的负一级衍射强度一维分布，将得到的初始刻蚀深度为零时待刻蚀光栅负一级衍射强度的一维空间分布曲线在计算机显示器上显示；(3)在线检测被刻蚀光栅随刻蚀深度的变化时负一级衍射强度一维分布的变化，将得到被刻蚀光栅在不同刻蚀深度时的负一级衍射强度的一维空间分布曲线在计算机显示器上显示；(4)根据计算机显示器上显示的负一级衍射强度一维分布曲线形状，确定被刻蚀光栅的刻蚀终点。

3.如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述根据计算机显示器上显示的负一级衍射强度一维分布曲线形状确定被刻蚀光栅的刻蚀终点是：显示器上显示的负一级衍射强度一维分布曲线的相邻两次曲线趋于相同，并且最后一次曲线的均匀性指标Δ满足被刻蚀光栅的工作要求时，即表示被刻蚀光栅已经达到设定刻蚀深度要求。

4.如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述最后一次曲线的均匀性指标Δ是：Δ＝[(I_max-I_min)/(I_max+I_min)]，其中I_max和I_min分别为最后一次曲线上的光栅不同位置的负一级衍射光强最大值和最小值。

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