CN111610586A

CN111610586A - 一种衍射光栅的设计方法及系统

Info

Publication number: CN111610586A
Application number: CN202010594125.7A
Authority: CN
Inventors: 李璟; 杨光华; 卢增雄; 张清洋; 丁敏侠
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2020-06-24
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2040-06-24
Also published as: CN111610586B

Abstract

本公开提供了一种衍射光栅的设计方法及系统，方法包括：S1，获得衍射光栅衍射光的零衍射级和高衍射级的衍射效率增强和缺级的条件；S2，根据零衍射级缺级的第一条件获得衍射光栅的槽深；S3，根据高衍射级增强的条件获得衍射光栅的栅脊宽度和栅脊之间的距离；S4，将步骤S3获得的结构复制并进行对称设置，以使高衍射级的偶衍射级缺级。该方法根据需要增强的衍射级次，选择相应的栅级和栅槽的宽度和位置，不需要将整个光栅结构均设置为优化条件进行优化，避免了大量计算。

Description

一种衍射光栅的设计方法及系统

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种衍射光栅的设计方法及系统。

背景技术

在半导体、集成电路以及镜面位移测量领域，经常采用基于相位光栅的位置测量传感器确定目标的位置信息。在测量过程中，低衍射级次用于捕获光栅，高衍射级次用于提高测量精度。由于光栅衍射特性限制，高衍射级次衍射效率较低，并且由于光栅加工误差以及工艺过程的影响，高衍射级次衍射效率进一步降低，当衍射效率低于某一阈值时，将导致测量重复精度急剧降低，甚至不能探测到高衍射级次测量信号，导致测量失败。因此在相位光栅设计过程中，需要保证增强高衍射级次的衍射效率。目前在设计高衍射级次增强的相位光栅标记时，通常采用细分的方式来增强所需衍射级次，然而该方法在增强所需衍射级次同时，破坏偶衍射级次缺级的条件，导致出现偶衍射级次衍射信号，尤其是较强的零级信号，降低测量信号的对比度。针对细分方法只考虑增强问题，人们提出在设计增强型相位光栅标记时，不仅需要考虑增强某衍射级次，同时还要将某些衍射级缺级作为限制条件，但是由于需要将各个衍射级次衍射效率作为限制条件，因此在设计对准标记过程中，需要采用大量计算仿真，通过扫描光栅标记结构参数来获得满足要求的相位光栅结构。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种衍射光栅的设计方法及系统，至少解决以上技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种衍射光栅的设计方法，包括：S1，获得衍射光栅衍射光的零衍射级和高衍射级的衍射效率增强和缺级的条件，其中，零衍射级缺级的条件包括第一条件和第二条件；S2，根据零衍射级缺级的第一条件获得衍射光栅的槽深；S3，根据高衍射级增强的条件获得衍射光栅的栅脊宽度和栅脊之间的距离；S4，将步骤S3获得的结构复制并进行对称设置，以使高衍射级的偶衍射级缺级。

可选地，步骤S3还包括，根据零衍射级缺级的第二条件确定栅脊的宽度。

可选地，第二条件包括所有栅脊的宽度为光栅周期宽度的一半。

可选地，零衍射级缺级的第一条件为：

当衍射光栅的占空比为50％时，槽深h满足

其中，λ为衍射光的波长；

零衍射级增强的条件为：

当衍射光栅的占空比为50％时，槽深h满足

可选地，高衍射级的衍射效率缺级的条件为：

当衍射光栅的占空比为50％时，槽深h满足

或者占空比和高衍射级的级次乘积满足

高衍射级的衍射效率增强的条件为：

当衍射光栅的占空比为50％时，槽深h满足

或者所述占空比和高衍射级的级次乘积满足mf＝K，K＝1，2...。

可选地，步骤S3中，栅脊的宽度d_i的计算公式为：

其中，m为高衍射级的级次，n＝1，2……，d衍射光栅的周期；

可选地，衍射效率的计算公式为：

其中，a₀为零衍射级的衍射效率，α_m为高衍射级的衍射效率，/为占空比，m为衍射级次，h为槽深，n₁为入射光在周围介质的折射率，n₂为入射光在光栅材料的折射率。

另一方面，本公开还提供了一种衍射光栅的设计系统，包括：第一获得模块，用于获得衍射光栅衍射光的零衍射级和高衍射级的衍射效率增强和缺级的条件；第二获得模块，用于根据零衍射级缺级的第一条件获得衍射光栅的槽深；第三获得模块，用于根据高衍射级增强的条件获得衍射光栅的栅脊宽度和栅脊之间的距离；复制模块，用于将第三获得模块获得的结构复制并进行对称设置，以使高衍射级的偶衍射级缺级。

可选地，第三获得模块还包括根据零衍射级缺级的第二条件确定栅脊的宽度。

(三)有益效果

本公开提供了一种衍射光栅的设计方法及系统，解决了扫描光栅标记过程中计算量大的问题，该方法首先根据各衍射级次增强和缺级的条件，然后根据相位光栅所需增强和缺级的衍射级次，选择满足要求的栅级宽度以及位置信息，获得满足要求的相位光栅结构，该方法根据需要增强的衍射级次，选择相应的栅级和栅槽的宽度和位置，不需要将整个光栅结构均设置为优化条件进行优化，避免了大量计算。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的衍射光栅的设计方法的步骤图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的衍射光栅的结构示意图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的一具体实施例中的衍射光栅的结构示意图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的现有的AH53的结构示意图。

具体实施方式

本公提供了一种衍射光栅的设计方法及系统，解决了扫描光栅标记过程中计算量大的问题，该方法首先根据各衍射级次增强和缺级的条件，然后根据相位光栅所需增强和缺级的衍射级次，选择满足要求的栅级宽度以及位置信息，获得满足要求的相位光栅结构，该方法根据需要增强的衍射级次，选择相应的栅级和栅槽的宽度和位置，不需要将整个光栅结构均设置为优化条件进行优化，避免了大量计算。

本公开提供了一种衍射光栅的设计方法，如图1所示，包括：S1，获得衍射光栅衍射光的零衍射级和高衍射级的衍射效率增强和缺级的条件；S2，根据零衍射级缺级的第一条件获得衍射光栅的槽深；S3，根据高衍射级增强的条件获得衍射光栅的栅脊宽度和栅脊之间的距离；S4，将步骤S3获得的结构复制并进行对称设置，以使高衍射级的偶衍射级缺级。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

S1，获得衍射光栅衍射光的零衍射级和高衍射级的衍射效率增强和缺级的条件，其中，零衍射级缺级的条件包括第一条件和第二条件；

在基于衍射光栅标记的位置测量传感器中，通常只需要衍射光的奇衍射级次增强，偶衍射级次缺级，并且为了提高精度，需增强高衍射级次。因此确定增强高衍射级次，并且使零衍射级和高衍射级次中的偶衍射级缺级的条件。

在设计衍射光栅时，需要确定该衍射光栅的特征参数，如图2所示，如占空比f、槽深h、周期d、材料反射率R等。本公开实施例中以矩形衍射光栅的设计为例对本公开中的方法进行详细介绍。

通过分析计算可以得到衍射光栅各衍射级次的衍射效率为：

其中，n₁为入射光在周围介质的折射率，n₂为入射光在光栅材料的折射率，a₀为零衍射级的衍射效率，a_m为第m衍射级的衍射效率。

根据计算分析，零衍射级的衍射效率增强和缺级的条件为：

当占空比为50％时，槽深满足

时，零衍射级的衍射效率为0，即零级光缺级。

当占空比为50％时，槽深满足

时，零衍射级的衍射效率增强，取得最大值

除零衍射级外的其他高衍射级衍射效率增强和缺级的条件为：

当槽深满足

时，所有高衍射级衍射效率均增强；

当槽深满足

时，所有高衍射级衍射效率均缺级

当占空比和衍射级乘积满足mf＝K(K＝1，2...)时，该衍射级的衍射效率增强；

当占空比和衍射级乘积满足

时，该衍射级的衍射效率为零，也即该衍射级缺级。

在衍射光栅设计过程中，通常需要保证奇衍射级，尤其是其中的高衍射级衍射效率增强，偶衍射级缺级。通过调整光栅的占空比和槽深可以实现衍射级次的增强和缺级，但是槽深对各衍射级次增强和缺级是以零级光和高级光来区分，不能将偶衍射级和奇衍射级区分，而占空比不仅可以区分偶衍射级次和奇衍射级次，并且可以区分奇衍射级次中的大小。因此衍射光栅的设计可以首先确定槽深。

S2，根据零衍射级缺级的第一条件获得衍射光栅的槽深；

由上可知，在槽深为

时，零衍射级缺级，同时可以增强其他高衍射级，其中该高衍射级既包括奇衍射级又包括偶衍射级。

S3，根据高衍射级增强的条件获得衍射光栅的栅脊宽度和栅脊之间的距离；

具体的，根据需增强的衍射级次m，引入不同宽度d_i的栅脊，宽度满足

时，同时各栅脊之间的距离l_i满足

时，可以增强第m衍射级的衍射效率，其中，为光栅的周期。

但为保证零衍射级缺级需满足零衍射级缺级的第二条件，即满足

S4，将步骤S3获得的结构复制并进行对称设置，以使高衍射级的偶衍射级缺级。

例如可以对步骤S3得到的结构整体180°旋转对称，且在半个周期内栅级和栅级之间的栅槽的位置同样满足180°旋转对称，使偶衍射级缺级。

另一方面，本公开还提供了一种衍射光栅的设计系统，包括：

第一获得模块例如可以执行如图1所示的步骤S1，用于获得衍射光栅衍射光的零衍射级和高衍射级的衍射效率增强和缺级的条件；

第二获得模块例如可以执行如图1所示的步骤S2，用于根据零衍射级缺级的第一条件获得所述衍射光栅的槽深；

第三获得模块例如可以执行如图1所示的步骤S3，用于根据高衍射级增强的条件获得所述衍射光栅的栅脊宽度和栅脊之间的距离；

复制模块例如可以执行如图1所示的步骤S4，用于将第三获得模块获得的结构复制并进行对称设置，以使高衍射级的偶衍射级缺级。

其中，第三获得模块还包括根据零衍射级缺级的第二条件确定栅脊的宽度。第二条件包括所有栅脊的宽度为光栅周期宽度的一半。

基于上述设计，针对周期为16μm，第5衍射级的衍射效率增强的要求，根据上述步骤可以获得如下图3所示的结构。可以通过严格耦合波电磁仿真的方法，对该结构的效果进行验证。

与现有的细分结构AH53(如图4所示)的衍射效率进行比较，该结构和AH53的衍射效率对比如下表1所示，从表1可以看出，该结构不仅第5衍射级衍射效率与原有的细分光栅结构AH53基本相等，同时所有的偶衍射级和零衍射级均缺级，并且第3、7衍射级次的衍射效率比AH53增强，具有较好的性能。

衍射级次

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

AH53衍射效率

6.2％

3.3％

0.4％

2.0％

5.0％

0.9％

0.1％

0.0％

0.1％

本申请结构衍射效率

0.0％

5.4％

0.0％

4.1％

0.0％

5.0％

0.0％

0.7％

0.0％

0.1％

表1

综上所述，本公开的衍射光栅的设计方法和系统，通过对槽深、栅脊宽度和栅槽宽度进行合理设置，不需将整个光栅结构均设置为优化条件进行优化，避免了大量计算。

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，所应理解的是，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

1.一种衍射光栅的设计方法，包括：

S1，获得所述衍射光栅衍射光的零衍射级和高衍射级的衍射效率增强和缺级的条件，其中，零衍射级缺级的条件包括第一条件和第二条件；

S2，根据所述零衍射级缺级的第一条件获得所述衍射光栅的槽深；

S3，根据所述高衍射级增强的条件获得所述衍射光栅的栅脊宽度和栅脊之间的距离；

S4，将所述步骤S3获得的结构复制并进行对称设置，以使所述高衍射级的偶衍射级缺级。

2.根据权利要求1所述的设计方法，所述步骤S3还包括，根据所述零衍射级缺级的第二条件确定栅脊的宽度。

3.根据权利要求2所述的设计方法，所述第二条件包括所有栅脊的宽度为光栅周期宽度的一半。

4.根据权利要求1所述的设计方法，所述零衍射级缺级的第一条件为：

当衍射光栅的占空比为50％时，槽深h满足

其中，λ为衍射光的波长；

所述零衍射级增强的条件为：

当衍射光栅的占空比为50％时，槽深h满足

5.根据权利要求1所述的衍射光栅的设计方法，所述高衍射级的衍射效率缺级的条件为：

当衍射光栅的占空比为50％时，槽深h满足

或者所述占空比和所述高衍射级的级次乘积满足

所述高衍射级的衍射效率增强的条件为：

当衍射光栅的占空比为50％时，槽深h满足

或者所述占空比和所述高衍射级的级次乘积满足mf＝K，K＝1，2...。

6.根据权利要求1所述的衍射光栅的设计方法，所述步骤S3中，所述栅脊的宽度d_i的计算公式为：

其中，m为所述高衍射级的级次，n＝1，2……，d衍射光栅的周期。

7.根据权利要求1所述的衍射光栅的设计方法，所述衍射效率的计算公式为：

其中，a₀为零衍射级的衍射效率，α_m为高衍射级的衍射效率，f为占空比，m为衍射级次，h为槽深，n₁为入射光在周围介质的折射率，n₂为入射光在光栅材料的折射率。

8.一种衍射光栅的设计系统，包括：

第一获得模块，用于获得所述衍射光栅衍射光的零衍射级和高衍射级的衍射效率增强和缺级的条件；

第二获得模块，用于根据所述零衍射级缺级的第一条件获得所述衍射光栅的槽深；

第三获得模块，用于根据所述高衍射级增强的条件获得所述衍射光栅的栅脊宽度和栅脊之间的距离；

复制模块，用于将所述第三获得模块获得的结构复制并进行对称设置，以使所述高衍射级的偶衍射级缺级。

9.根据权利要求8所述的衍射光栅的设计系统，所述第三获得模块还包括根据零衍射级缺级的第二条件确定栅脊的宽度。

10.根据权利要求9所述的衍射光栅的设计系统，所述第二条件包括所有栅脊的宽度为光栅周期宽度的一半。