CN111595555B - 利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置和监测方法 - Google Patents

利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置和监测方法 Download PDF

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Abstract

一种利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置和方法，装置包括超连续谱激光光源、声光滤波器、光阑、滤光片、偏振片、待显影光栅、显影液容器、准直透镜组、偏振分束镜、聚焦透镜、积分球、高速探测器和电子元件控制系统。超连续谱激光光源和声光滤波器用于产生不同波长的单色光束。准直透镜组用于缩束并收集不同出射角的光栅显影衍射光束。偏振分束镜用于将显影衍射光束分束为S偏振光和P偏振光。两组积分球和高速探测器分别用于测量S偏振光束和P偏振光束的衍射光束光强。电子元件控制系统用于数据采集和数据处理。本发明提供了一种通过S偏振光和P偏振光的宽光谱的比值来精确控制显影过程中的光栅掩膜形貌变化的装置和方法。

Description

利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置和监测 方法
技术领域
本发明涉及光栅掩膜的显影监测领域，特别是利用光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置和方法。
技术背景
衍射光栅作为重要的色散元件，在高能激光、光谱分析、集成电路、光通信、光学精密测量等领域有着广泛的应用，而衍射效率是判断光栅性能的重要指标之一。要获得高衍射效率或特定衍射效率的光栅离不开对光栅槽形的精确控制。因此，对于采用全息曝光技术获得光栅的方式，通过实时显影监测精确控制光栅掩膜的槽形对获得高性能的光栅有着重要的意义。
目前，国际上普遍采用的光栅实时显影监测装置是单一波长的，该单一波长的显影装置判断光栅显影槽形的变化是通过某一时刻在该波长下的单点衍射效率值和变化趋势进行的。据我们所知，没有人提出采用宽光谱比值的方式进行光栅掩膜的实时显影监测，且给出明确的装置和方法。
发明内容
为了能够在全息曝光技术制备光栅的过程中精确控制光栅掩膜的槽形，本发明专利提供了一种利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置和方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置，其特征在于，包括超连续谱激光光源、滤波器、光阑、滤光片、偏振片、显影液容器、准直透镜组、偏振分束镜、第一聚焦透镜、第一积分球、第一高速探测器、第二聚焦透镜、第二积分球、第二高速探测器和电子元件控制系统；
沿所述的超连续谱激光光源的光束出射方向依次放置所述的滤波器、光阑、滤光片、偏振片和待显影光栅，该待显影光栅放置在所述的显影液容器中，所述的准直透镜组放置在经过待显影光栅 (6)衍射后的出射光束传播方向上，该出射光束经过准直透镜组的缩束和准直后入射到所述的偏振分束镜，该偏振分束镜将入射光束分束为S偏振光束和P偏振光束，该S偏振光束经所述的第一聚焦透镜聚焦后射入所述的第一积分球中，经该第一积分球漫反射后由所述的第一高速探测器接收，该P偏振光束经所述的第二聚焦透镜聚焦后射入所述的第二积分球中，经该第二积分球漫反射后由所述的第二高速探测器接收。
所述的第一高速探测器和第二高速探测器的输出端分别与所述的电子元件控制系统(的输入端相连，所述的滤波器的控制端与电子元件控制系统的输出端相连。
所述的滤波器为声光滤波器或液晶可调谐滤波器。
所述的显影液容器为对特定光谱波段透明的半密封容器。
所述的一种利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置进行显影监测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
①准备待显影光栅，该待显影光栅为采用全息干涉曝光技术制备获得的光刻胶潜像光栅；
②将待显影光栅放置在显影液容器中；
③在超连续谱激光光源关闭的情况下测量S偏振光第一高速探测器暗场强度值和P偏振光第二高速探测器暗场强度值；
④开启超连续谱激光光源，设滤波器的出射波长为λ1，照射待显影光栅，然后分别测量在波长λ1下的S偏振光第一高速探测器明场强度值和P偏振光第二高速探测器明场强度值，分别记为
Figure BDA0002519986330000021
和
Figure BDA0002519986330000033
⑤设滤波器的出射波长依次为λ2，λ3······λn，重复步骤④，分别得到各个波长下的S偏振光第一高速探测器明场强度值和P偏振光第二高速探测器明场强度值，分别记为
Figure BDA0002519986330000034
和
Figure BDA0002519986330000035
和
Figure BDA0002519986330000036
和
Figure BDA0002519986330000037
⑥根据S偏振光第一高速探测器的暗场强度值和P偏振光第二高速探测器的暗场强度值，以及在各个波长下的S偏振光第一高速探测器的明场强度值和P偏振光第二高速探测器的明场强度值，按照如下公式，计算波长为λ1，λ2，λ3······λn时待显影光栅的衍射效率比ηλ1，ηλ1，。。。，，ηλn，公式如下：
Figure BDA0002519986330000031
或者
Figure BDA0002519986330000032
根据各波长及各波长对应的衍射效率比绘制该时段待显影光栅(6)的衍射效率光谱比值曲线；
⑧不断重复步骤④～⑦，即可获得待显影光栅在显影过程中的实时显影宽光谱比值曲线。
本发明具有以下优点及突出效果：
与国际上普遍采用的单一波长光栅实时显影监测装置相比(判断光栅显影槽形的变化是通过某一时刻在单一波长下的单点衍射效率值和变化趋势进行的)，本发明采用宽光谱(多波长)进行光栅显影实时监测，在显影过程中，能够获得某一时刻光栅槽形对应的S偏振光和P偏振光的宽光谱比值曲线，能够有更多的信息帮助判断停止显影的时机，从而精确控制光栅掩膜的槽形。
附图说明
图1是本发明利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测装置的结构示意图。
图2为实施例1中采用严格耦合波理论计算的光栅的S偏振光和P偏振光的宽光谱衍射效率比值图，光栅占空比为0.35，槽深为400纳米，多层反射膜系基底。
图3为实施例1中采用严格耦合波理论计算的光栅的S偏振光和P偏振光的宽光谱衍射效率比值图，光栅占空比为0.3，槽深为400纳米，多层反射膜系基底。
图4为实施例2中采用严格耦合波理论计算的光栅的S偏振光和P偏振光的宽光谱衍射效率比值图，光栅占空比为0.35，槽深为400纳米，熔石英基底。
图5为实施例2中采用严格耦合波理论计算的光栅的S偏振光和P偏振光的宽光谱衍射效率比值图，光栅占空比为0.3，槽深为400纳米，熔石英基底。
图中：
1-超连续谱激光光源，2-滤波器，3-光阑，4-滤光片，5- 偏振片，6-待显影光栅，7-显影液容器，8-准直透镜组，9-偏振分束镜，10-第一聚焦透镜，11-第一积分球，12-第一高速探测器，13-电子元件控制系统，14-第二聚焦透镜，15-第二积分球，16-第二高速探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实例1：
图1是本发明利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测装置的结构示意图，如图所示，一种利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测装置，包括超连续谱激光光源1、滤波器2、光阑3、滤光片4、偏振片5、待显影光栅6、显影液容器7、准直透镜组8、偏振分束镜9、第一聚焦透镜10、第一积分球11、第一高速探测器12、第二聚焦透镜14、第二积分球15、第二高速探测器16和电子元件控制系统13。
光源采用Fianium超连续谱激光器，滤波器采用CTI的 AOTF声光滤波器。光阑采用Thorlabs公司的ID20接杆安装可变光阑。滤光片采用Thorlabs公司的FELH0550边通滤光片。偏振片采用 Thorlabs公司的LPVIS050-MP2型线偏振片。待显影光栅为采用全息干涉曝光技术在镀有多层反射膜系基片上制备的1170线光刻胶潜像光栅。显影液容器采用长45厘米，宽30厘米，高30厘米的透明玻璃缸。准直透镜组采用Thorlabs公司的焦距不同的两个平凸透镜，偏振分束镜采用Thorlabs公司的WPBS254-VIS型偏振分束棱镜。聚焦透镜采用Thorlabs公司的平凸透镜。积分球和高速探测器采用 Newport公司的819C系列InGaAs探测器。电子元件控制系统采用 windows计算机系统。其它机械部件均由上海联谊光纤激光器公司定制完成。
Fianium超连续谱激光器提供复色激光光源，AOTF声光滤波器把复色光源转化为单色入射光束，光阑用于遮挡杂散光，滤光片用于滤除光刻胶潜像光栅敏感的近紫外光束，偏振片用于产生测量所需的偏振态的线偏振光，显影液容器用于承载显影液，准直透镜组用于不同波长衍射光的缩束和准直，偏振分束镜用于把衍射光束分束为 S偏振光束和P偏振光束，聚焦透镜和积分球用于收集光栅的衍射光束，高速探测器用于测量S偏振光束和P偏振光束的强度，电子元件控制系统用于控制滤波器和高速探测器，实现数据采集和数据处理功能。
按照本专利提供的利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置进行显影监测的方法实施，包括以下步骤：
①采用全息干涉曝光技术，通过控制曝光量、显影浓度和显影时间在镀有多层反射膜系基片上制备1170线光刻胶潜像光栅，即待显影光栅；
②将待显影光栅放置在显影液容器中；
③在超连续谱激光光源关闭的情况下测量S偏振光第一高速探测器暗场强度值和P偏振光第二高速探测器暗场强度值；
④开启超连续谱激光光源，设滤波器的出射波长为λ1，照射待显影光栅，然后分别测量在波长λ1下的S偏振光第一高速探测器明场强度值和P偏振光第二高速探测器明场强度值，分别记为
Figure BDA0002519986330000061
和
Figure BDA0002519986330000062
⑤设滤波器的出射波长依次为λ2，λ3······λn，重复步骤④，分别得到各个波长下的S偏振光第一高速探测器明场强度值和P偏振光第二高速探测器明场强度值，分别记为
Figure BDA0002519986330000063
和
Figure BDA0002519986330000064
和
Figure BDA0002519986330000065
和
Figure BDA0002519986330000066
⑥根据S偏振光第一高速探测器的暗场强度值和P偏振光第二高速探测器的暗场强度值，以及在各个波长下的S偏振光第一高速探测器的明场强度值和P偏振光第二高速探测器的明场强度值，按照如下公式，分别计算波长为λ1，λ2，λ3······λn时待显影光栅的S 偏振光和P偏振光的衍射效率比值：
Figure BDA0002519986330000067
⑦根据波长λ1，λ2······λn和波长对应的衍射效率比值ηλ1，ηλ2······ηλn绘制待显影光栅(6)的衍射效率光谱比值曲线；
⑧不断重复步骤④～⑦，即可获得待显影光栅在显影过程中的实时显影宽光谱比值曲线。
图2～3为采用严格耦合波理论计算的光刻胶潜像光栅在显影过程中的两个时刻的光栅槽形对应的600～700纳米宽光谱波段S 偏振光和P偏振光的衍射效率比值曲线。当在步骤⑧中的获得的实时显影宽光谱比值曲线和图2～3中的理论计算的宽光谱比值曲线相符时，停止显影，即可获得对应槽形的光栅。若不相符，则返回步骤①，通过调节曝光量、显影浓度和显影时间制备新的待显影光栅后重复步骤②～⑧。
实例2：
该实施例2采用和实施例1相同的元件和步骤，唯一的区别为采用的待显影光栅为未镀有多层反射膜系的熔石英基底1170线光刻胶潜像光栅。
与实施例1同理，图4～5为采用严格耦合波理论计算的显影过程中的两个时刻的光栅槽形对应的600～700纳米宽光谱波段S 偏振光和P偏振光的衍射效率比值曲线。当在步骤⑧中的获得的实时显影宽光谱比值曲线和图2～3中的理论计算的宽光谱比值曲线相符时，停止显影，即可获得对应槽形的光栅。若不相符，则返回步骤①，通过调节曝光量、显影浓度和显影时间制备新的待显影光栅后重复步骤②～⑧。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置，其特征在于，包括超连续谱激光光源(1)、滤波器(2)、光阑(3)、滤光片(4)、偏振片(5)、显影液容器(7)、准直透镜组(8)、偏振分束镜(9)、第一聚焦透镜(10)、第一积分球(11)、第一高速探测器(12)、第二聚焦透镜(14)、第二积分球(15)、第二高速探测器(16)和电子元件控制系统(13)；
沿所述的超连续谱激光光源(1)的光束出射方向依次放置所述的滤波器(2)、光阑(3)、滤光片(4)、偏振片(5)和待显影光栅(6)，该待显影光栅(6)放置在所述的显影液容器(7)中，所述的准直透镜组(8)放置在经过待显影光栅(6)衍射后的出射光束传播方向上，该出射光束经过准直透镜组(8)的缩束和准直后入射到所述的偏振分束镜(9)，该偏振分束镜(9)将入射光束分束为S偏振光束和P偏振光束，该S偏振光束经所述的第一聚焦透镜(10)聚焦后射入所述的第一积分球(11)中，经该第一积分球(11)漫反射后由所述的第一高速探测器(12)接收，该P偏振光束经所述的第二聚焦透镜(14)聚焦后射入所述的第二积分球(15)中，经该第二积分球(15)漫反射后由所述的第二高速探测器(16)接收；
所述的第一高速探测器(12)和第二高速探测器(16)的输出端分别与所述的电子元件控制系统(13)的输入端相连，所述的滤波器(2)的控制端与电子元件控制系统(13)的输出端相连。
2.如权利要求1所述的一种利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置，其特征在于，所述的滤波器(2)为声光滤波器或液晶可调谐滤波器。
3.如权利要求1所述的一种利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置，其特征在于，所述的显影液容器(7)为对特定光谱波段透明的半密封容器。
4.利用权利要求1所述的一种利用宽光谱比值实现光栅掩膜实时显影监测的装置进行显影监测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
①准备待显影光栅(6)，该待显影光栅为采用全息干涉曝光技术制备获得的光刻胶潜像光栅；
②将待显影光栅(6)放置在显影液容器(7)中；
③在超连续谱激光光源(1)关闭的情况下测量S偏振光第一高速探测器(12)暗场强度值和P偏振光第二高速探测器(16)暗场强度值；
④开启超连续谱激光光源(1)，设滤波器(2)的出射波长为λ1，照射待显影光栅(6)，测量在波长λ1下的S偏振光第一高速探测器(12)明场强度值和P偏振光第二高速探测器(16)明场强度值，分别记为
Figure FDA0002760531900000028
和
Figure FDA0002760531900000029
⑤设滤波器(2)的出射波长依次为λ2，λ3······λn，重复步骤④，测量在各个波长下的S偏振光第一高速探测器(12)明场强度值和P偏振光第二高速探测器(16)明场强度值，分别记为
Figure FDA0002760531900000021
和
Figure FDA0002760531900000022
Figure FDA0002760531900000023
和
Figure FDA0002760531900000024
和
Figure FDA0002760531900000025
⑥根据S偏振光第一高速探测器(12)的暗场强度值和P偏振光第二高速探测器(16)的暗场强度值，以及在各个波长下的S偏振光第一高速探测器(12)的明场强度值和P偏振光第二高速探测器(16)的明场强度值，计算波长为λ1，λ2，λ3······λn时待显影光栅(6)的衍射效率比ηλ1，ηλ2，··· ，ηλn，公式如下：
Figure FDA0002760531900000026
或者
Figure FDA0002760531900000027
⑦根据各波长及各波长对应的衍射效率比绘制待显影光栅(6)的衍射效率光谱比值曲线；
⑧不断重复步骤④～⑦，即可获得待显影光栅(6)在显影过程中的实时显影宽光谱比值曲线。
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