CN111708257B - 一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法 - Google Patents

一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111708257B
CN111708257B CN202010640565.1A CN202010640565A CN111708257B CN 111708257 B CN111708257 B CN 111708257B CN 202010640565 A CN202010640565 A CN 202010640565A CN 111708257 B CN111708257 B CN 111708257B
Authority
CN
China
Prior art keywords
exposure
monitoring
grating
scanning
speed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010640565.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111708257A (zh
Inventor
宋�莹
张刘
刘玉娟
朱杨
王文华
范国伟
章家保
张帆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jilin University
Original Assignee
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jilin University filed Critical Jilin University
Priority to CN202010640565.1A priority Critical patent/CN111708257B/zh
Publication of CN111708257A publication Critical patent/CN111708257A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111708257B publication Critical patent/CN111708257B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70483—Information management; Active and passive control; Testing; Wafer monitoring, e.g. pattern monitoring
    • G03F7/7055—Exposure light control in all parts of the microlithographic apparatus, e.g. pulse length control or light interruption
    • G03F7/70558—Dose control, i.e. achievement of a desired dose
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70383—Direct write, i.e. pattern is written directly without the use of a mask by one or multiple beams
    • G03F7/704—Scanned exposure beam, e.g. raster-, rotary- and vector scanning
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70408—Interferometric lithography; Holographic lithography; Self-imaging lithography, e.g. utilizing the Talbot effect
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70425—Imaging strategies, e.g. for increasing throughput or resolution, printing product fields larger than the image field or compensating lithography- or non-lithography errors, e.g. proximity correction, mix-and-match, stitching or double patterning
    • G03F7/70475—Stitching, i.e. connecting image fields to produce a device field, the field occupied by a device such as a memory chip, processor chip, CCD, flat panel display

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，涉及全息光栅制作技术领域，解决现有全息光栅扫描光刻技术存在曝光时间长，制作效率低，以及采用静态曝光监测方法无法满足使用要求等问题，本发明无需在曝光前进行大量样片的制作和测试。在一次全息光栅正式曝光前，进行用于监测曝光量的预曝光，并对扫描运动速度进行优化选择。在扫描运动速度确定后，直接进入全息光栅的正式曝光。曝光量监测控制及后续光刻过程可实现自动化，使光栅制作效率提高，同时根据不同光栅基底上光刻胶涂层参数变化调整曝光量，有效保证了曝光量工艺参数可控性，对提升全息光栅扫描光刻制造工艺水平，提高光栅制造效率，保证大面积全息光栅制作成功率。

Description

一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法
技术领域
本发明涉及全息光栅制作技术领域，具体涉及一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法。
背景技术
全息光栅扫描光刻是制作大面积全息光栅的重要方法，包含大量光电控制元件的干涉光学系统形成小尺寸的干涉图样，由工作台承载光栅基底或干涉光学系统，使干涉图样与光栅基底产生相对运动，利用步进扫描拼接的方式将干涉条纹记录在光栅基底涂覆的光刻胶中，直至完成整块光栅基底有效面积的曝光。全息光栅扫描光刻方法在制作大面积全息光栅时，曝光系统无需大口径的准直透镜或大面积的洛埃镜，避免了光学材料获取、光学精密加工等方面的难点，且干涉场相位线性度高，光栅尺寸仅受限于工作台行程，在制作大面积特别是米级尺度光栅时，具有巨大的优势。
曝光量是全息光栅制造工艺中需要控制的重要工艺参数之一，曝光量由干涉图样的强度和曝光时间决定。在传统静态全息光栅曝光中，在曝光时间内一次性完成光栅有效面积内全部干涉条纹的记录，为实现曝光量控制，可通过制作和测试大量样片，摸索经验值用于后续的曝光。也可利用专利号分别为：03121147.X、200810187608.4以及200810187630.9中给出的装置和方法，进行曝光量的在线监测。由潜像光栅衍射光强随曝光时间的变化规律，选定截止曝光点，并在监测曲线变化到该点处终止曝光，完成曝光量的监测及控制。
但现有方法不适宜全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制。首先，扫描光刻方法曝光时间较长，利用样片摸索经验的方法，制作效率低，且由于工艺条件的变化，摸索的经验值并不可靠。其次，已有的曝光监测方法是静态方法，监测某点处潜像光栅的特性变化，通过调整曝光时间控制曝光量。而扫描光刻过程中干涉图样与光栅基底的相对位置是动态变化的，曝光量由扫描运动速度决定，已有装置和方法无法满足应用。
发明内容
本发明为解决现有全息光栅扫描光刻技术存在曝光时间长，制作效率低，以及采用静态曝光监测方法无法满足使用要求等问题，提供一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，利用该方法可进行全息光栅扫描光刻系统曝光量的监测，并通过确定工作台扫描运动速度实现曝光量的优化控制。
一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，包括配备一套全息光栅扫描光刻系统和装调后的全息光栅扫描光刻曝光量监测装置；所述全息光栅扫描光刻系统用于全息光栅扫描拼接曝光，装调后的全息光栅扫描光刻曝光量监测装置用于对曝光量监测；该方法由以下步骤实现：
步骤一、全息光栅扫描光刻系统中的光源激光经过干涉光学系统后产生第一相干光束和第二相干光束，所述第一相干光束与第二相干光束在光栅基底的高度处完全重叠，形成干涉图样；
装调后的全息光栅扫描光刻曝光量监测装置的电控光闸打开后，监测光源出射监测激光，所述监测激光在光栅基底的高度处形成监测光斑；所述监测光斑中心与干涉图样中心具有相同的X方向坐标，监测光斑与干涉图样沿Y轴方向不重叠；
调整二维运动工作台，使干涉图样位于曝光初始位置；所述干涉图样及监测光斑均位于光栅基底有效范围外，关闭电控光闸；
步骤二、采用装调后的全息光栅扫描光刻曝光量监测装置进行曝光量监测的预曝光，确定所述全息光栅扫描光刻系统在光刻过程中二维运动工作台扫描运动速度；具体过程为：
步骤二一、所述全息光栅扫描光刻曝光量监测装置中的控制器控制电控光闸打开，二维运动工作台沿Y轴方向开始扫描运动，当干涉图样进入光栅基底范围内时，干涉图样对光栅基底的光刻胶曝光形成潜像光栅；当所述监测光斑进入干涉图样所形成的潜像光栅后，所述潜像光栅衍射的一级潜像衍射光经过滤光片进入光电探测器；
步骤二二、所述控制器同步采集所述全息光栅扫描光刻曝光量监测装置中的位移速度测量系统输出二维运动工作台沿Y轴方向位移、速度及光电探测器输出的一级潜像衍射光强度变化的衍射光强监测信号；Y轴方向扫描运动速度决定了曝光量；通过衍射光强监测信号与二维运动工作台沿Y轴方向速度的变化关系，确定最优的扫描运动速度，实现对曝光量进行优化控制。
本发明的有益效果：本发明所述的曝光量监测及控制方法，无需在曝光前进行大量样片的制作和测试。在一次全息光栅正式曝光前，进行用于监测曝光量的预曝光，并对扫描运动速度进行优化选择。用于监测的预曝光区宽度很小，与整个光栅使用面积相比可以忽略。在扫描运动速度确定后，直接进入全息光栅的正式曝光。曝光量监测控制及后续光刻过程可实现自动化，使光栅制作效率提高，同时根据不同光栅基底上光刻胶涂层参数变化调整曝光量，有效保证了曝光量工艺参数可控性，对提升全息光栅扫描光刻制造工艺水平，提高光栅制造效率，保证大面积全息光栅制作成功率，降低光栅制作成本具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的全息光栅扫描光刻曝光量监测装置及其所应用的全息光栅扫描光刻系统组成示意图；
图2为全息光栅扫描光刻曝光量监测装置中控制器的原理示意图；
图3为全息光栅扫描光刻曝光量监测装置的调整原理示意图；
图4为进行预曝光过程的曝光初始位置示意图；图4a和图4b为监测光斑位于干涉图样Y轴正方向时的位置示意图；图4c和图4d为监测光斑位于干涉图样Y轴负方向时的位置示意图；
图5为扫描光刻过程中曝光量监测原理示意图；
图6为曝光监测过程中工作台扫描方向速度按照分段匀速直线运动变化规律的效果图；
图7为一级潜像衍射光强度随曝光时间的变化曲线效果图；
图8为使工作台分段匀速速度变化规律下的工作台扫描优化速度的采样点与插值原理图；
图9为曝光监测过程中工作台扫描方向按照匀变速直线运动速度和位移的变化规律示意图；图9a和图9b为在匀加速直线运动中，图9c和图9d为在匀减速直线运动中，工作台扫描速度与时间变化规律示意图以及工作台扫描位置与时间变化规律示意图。
图10为工作台匀变速直线运动变化规律下监测信号强度-工作台扫描速度曲线。
图11中图11a为工作台匀加速直线运动变化规律下监测信号强度-工作台扫描位移曲线示意图，图11b为工作台匀减速直线运动变化规律下监测信号强度-工作台扫描位移曲线示意图；
图12为工作台匀变速直线运动变化规律下，工作台优化扫描运动速度vg对应的曝光截止时间点的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图12说明本实施方式，一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，包括配备一套全息光栅扫描光刻系统和装调后的全息光栅扫描光刻曝光量监测装置；所述全息光栅扫描光刻系统用于全息光栅扫描拼接曝光，装调后的全息光栅扫描光刻曝光量监测装置用于对曝光量监测；
步骤一、配备一套全息光栅扫描光刻系统，包括立式光学平台8，干涉光学系统10和二维运动工作台14，如图1所示。干涉光学系统10布置于光学平台8上，光学平台8下方是二维运动工作台14。光刻光源激光9经过干涉光学系统10后，第一相干光束11与第二相干光束12在光栅基底13的高度处完全重叠，形成干涉图样15。干涉光学系统10的结构形式不同，干涉图样可能是圆形或矩形。干涉图样15相对于绝对坐标系O-XYZ保持静止。二维运动工作台14用于承载涂覆有光刻胶的光栅基底13，进行步进扫描运动，其中X方向为步进运动方向，Y方向为扫描运动方向。使得干涉图样15与光栅基底13间发生相对运动，实现扫描拼接曝光。
步骤二，配备一套全息光栅扫描光刻曝光量监测装置，并调整该装置使其具备曝光监测功能。
所述曝光量监测装置包括监测光源1、电控光闸2、滤光片3、光电探测器4、基准光栅5、控制器6、工作台Y向(扫描方向)的位移速度测量系统7，如图1所示。监测光源1前端放置电控光闸2，固定于光学平台8上。滤光片3放置在光电探测器4前，基准光栅5固定于二维运动工作台14上，基准光栅5上表面与光栅基底13上表面等高。位移速度测量系统7可以是光栅尺或激光干涉仪，用于测量工作台Y向的位移及速度。控制器6用于控制系统运行，同步采集并记录光电探测器4及位移速度测量系统7的输出数据。
所述监测光源1的波长选用光栅基底13所涂敷的光刻胶的非敏感波长。监测激光1的波长λ在干涉图样15条纹周期D(干涉条纹周期、潜像光栅周期和基准光栅的周期是相等)的条件下，根据光栅方程sinγ+sinβ＝mλ/D产生一级衍射光；式中γ为监测激光入射角，β为经过潜像光栅19的衍射角，m为衍射级次。若存在其他级次的衍射光，也可用于测量。但出现一级衍射光的条件易于满足，且衍射效率较高，多选择一级衍射光进行测量。
所述滤光片3通带波段范围包括监测光源1的波长，但不包括光刻光源激光9的波长，滤除非监测光的影响。
所述控制器6控制电控光闸2的打开和关闭，能够以同一触发信号同步采集位移速度测量系统7和光电探测器4的输出信号，并能够对数据进行处理和记录。
结合图2说明本实施方式，所述控制器6的一种组成如图2所示，通过IO板卡603发出IO信号6031控制电控光闸2打开或关闭，通过增益可调的AD转换板卡602采集光电探测器4输出的代表光能量的电信号6022。通过位移速度采集板卡601采集位移及速度测量系统7输出的信息6012。其中6011和6021是同步触发信号，用于信号6012和6022的同步触发采集。
所述位移速度测量系统7可以是光栅尺或激光干涉仪。图1中位移速度测量系统7为激光干涉仪系统，主要包括相对于绝对坐标系静止的干涉计701、固定于工作台的测量平面镜702及干涉仪激光器703。
结合图3说明本实施方式，本实施方式为对全息光栅扫描光刻曝光量监测装置进行装调的过程：
运动二维运动工作台14，使干涉图样15位于基准光栅5上。利用基准光栅5调节干涉图样15中干涉条纹的周期与干涉条纹方向，则干涉图样15中干涉条纹周期与基准光栅5的条纹周期相等，干涉条纹方向与工作台Y向平行。
调整监测光源1与电控光闸2的方位，电控光闸打开，调整工作台14位置，使监测激光17入射到基准光栅5产生监测光斑16。调整监测光源1出射光角度，监测激光17经过基准光栅5衍射后，可产生一级光栅衍射光18，如图3所示。
反复调节监测光源1的方位，使监测光斑16与干涉图样15沿X方向对齐，监测光斑16沿Y方向位于干涉图样15的一侧。图3中监测光斑16位于干涉图样15的Y正方向，也可位于干涉图样15的Y负方向。监测光斑16与干涉图样15沿Y方向间隔d，d≥(R+r)，保证监测光斑16与干涉图样15完全分离，并尽量贴近。R为圆形干涉图样的半径或矩形干涉图样Y向边长的一半，r为监测光斑的半径，r≤R。
在滤光片3和光电探测器4间插入中性滤光片21，调节滤光片3、中性滤光片和光电探测器4距离光学平台8的高度与方位，使一级光栅衍射光18正入射通过滤光片3及中性滤光片21进入光电探测器4。关闭电控光闸2，去掉中性滤光片21，准备在扫描光刻过程中进行曝光量监测。
步骤三、进行曝光量监测的预曝光，确定工作台扫描运动速度。
首先，将涂覆有光刻胶的光栅基底13固定于二维运动工作台14上，运动二维运动工作台14，使干涉图样15位于曝光初始位置，此时干涉图样15及监测光斑16均位于光栅基底13外。
曝光初始位置的选择与二维运动工作台14步进扫描运动方向及监测光斑16与干涉图样15的相对位置有关，如图4所示。图中标示蛇形运动路线为干涉图样15相对于光栅基底13的运动路线，二维运动工作台14相对于绝对坐标系的运动方向与此相反。当监测光斑16位于干涉图样15的Y正方向时，只有干涉图样15相对光栅基底13沿Y负方向运动时，即工作台14沿Y正方向运动时，监测光斑16进入光栅基底13后才能进入潜像光栅19所在区域。监测光斑16位于干涉图样15的Y负方向时，情况相似。即采用一套曝光监测装置，在扫描光刻过程中，仅在工作台某一个方向的扫描过程中实现曝光监测。采用两套曝光监测装置，在干涉图样15沿Y正负方向形成2个监测光斑时，可实现双向扫描光刻曝光监测。
然后，打开电控光闸2，二维运动工作台14沿Y轴开始扫描运动，控制二维运动工作台14的速度按照一定规律变化。当干涉图样15进入光栅基底13范围内时，光栅基底13上涂覆的光刻胶记录干涉图样15，在光刻胶中形成与干涉条纹周期相同的折射率变化，成为潜像光栅19。
当监测光斑16进入潜像光栅19后，潜像光栅19衍射的一级潜像衍射光20经过滤光片3进入光电探测器4，如图5所示。
控制器6同步采集位移速度测量系统7输出工作台Y向位移速度及光电探测器4输出的代表一级潜像衍射光20强度变化的衍射光强监测信号6022。Y向运动速度决定了曝光量，速度越快，曝光时间越短，曝光量越小，速度越慢，曝光量越大。通过衍射光强监测信号6022与工作台Y向速度的变化关系，可确定最优的扫描运动速度，使对曝光量进行优化控制。
上述存在曝光量监测的预曝光过程，在光栅基底13的前端形成一定宽度的曝光量监测预曝光区。预曝光区不属于光栅产品的有效使用区域，使光栅产品的有效使用面积变小。但由于干涉图样尺寸为毫米量级，而光栅基底尺寸为百毫米量级至米级，曝光量监测曝光区对光栅有效面积的影响可以忽略。
所述二维运动工作台14扫描(Y轴)在曝光量监测预曝光过程中，根据光刻胶特性、光刻光源激光9的强度及已有经验，可确定速度变化的范围vmin～vmax。运动速度变化规律给出两种方式。
第一种扫描运动速度变化规律为：工作台Y轴速度分段进行匀速直线运动，每段匀速直线运动速度递增或递减，一种速度递增变化如图6所示，vmin<v1<v2...<vN<vmax。为保证测量光斑16能够测量匀速段均匀曝光所得到的潜像光栅19，第k个匀速段的运行时间Δtk≥(R+r+d)/vk。
在全息光栅曝光中，一级潜像衍射光20光强随曝光时间的变化规律如图7所示。随着曝光时间的增加，一级潜像衍射光20强度变化可分为启动区、线性上升区、饱和区和下降区四个变化过程。根据全息光栅制作工艺，监测过程中，无需知道衍射光强度的绝对值，只需根据监测信号强度的变化规律，选择线性上升区结束，进入饱和区的曝光时间作为曝光截止点终止曝光。
在全息光栅扫描光刻中，曝光时间由扫描运动的速度决定。控制器6同步采集工作台扫描运动速度位移和衍射光强监测信号6022。第k段匀速运动中的速度vk，相应的曝光时间tek与1/vk成正比，该匀速段的衍射光强监测信号6022强度为Ak，则可以得到若干(1/vk，Ak)采样点，通过多个采样点进行插值，可确定曝光截止点所对应的工作台运行优化速度vg，如图8所示。
为提高优化速度vg的插值精度，可在多个扫描行程中不断缩小vg存在的速度范围，并减小匀速段速度的变化量。由于受限于工作台运行精度，在1～5个扫描行程中应确定优化扫描速度vg。
第二种变化规律为：二维运动工作台14扫描方向按照匀变速直线运动：
所述潜像光栅19任意一点所对应的曝光时间均不相同；曝光初始位置为二维运动工作台14扫描运动的时间和位移零点，匀变速直线运动的起始位置的时间为t0，速度为v0，位移为s0，匀变速直线运动加速度为a；随着扫描运行速度的增加，工作台扫描速度及位移的变化规律如图9所示，
设定M点位于干涉图样15扫描所形成的潜像光栅条带的X方向中心位置，在tM时刻，M点与曝光初始位置的位移为sM，干涉图样15以速度vM进入M点形成潜像光栅；根据匀变速直线运动规律，有：
vM＝v0+a(tM-t0)
Figure GDA0002981638200000081
若干涉图样15沿扫描方向的最大长度为2R，干涉图样15经过M点的过程中均为感光作用时间，M点的曝光时间teM与M点的速度vM的关系为
Figure GDA0002981638200000082
所述M点的曝光时间teM与曝光初始位置的距离sM的关系为：
Figure GDA0002981638200000083
式中，a与R为已知量，扫描过程中的速度和位移量vM、v0、sM、s0均通过二维运动工作台14位移速度测量系统获取；M点距离曝光初始位置的距离sM及进入M点的速度vM不同，所对应的曝光时间teM均不相同；
在监测过程中，控制器6实时同步采集得到的工作台位移、速度及光电探测器4输出的一级潜像衍射光20的光强监测信号。当监测光斑16位于M点位置(忽略光斑尺寸的影响)的时刻为tN，此时干涉图样15已完全经过M点，即tN>tM。同步采集得到tN时刻的衍射光强监测信号AN，二维运动工作台14的位移sN，二维运动工作台14的当前速度为vN。
AN代表M点处的潜像光栅19的一级潜像衍射光20强度，根据匀变速直线运动规律，可利用tN时刻的速度vN计算干涉图样15进入M点的速度：
Figure GDA0002981638200000084
绘制(vM,AN)即为M点处的监测信号强度-工作台扫描速度曲线(图10)。
利用tN时刻的工作台位移sN可计算M点距离曝光初始位置的位移sM：sM＝sN-d-R，即为M点处的监测信号强度-工作台扫描位移曲线(图11)。
在一级潜像衍射光20光强度随曝光时间变化曲线中选择曝光截止点，在线性上升区结束处，出现一个小的振荡信号，此振荡信号表示线性上升区结束，进入饱和区，可在振荡信号结束后的曝光截止时间tg作为曝光截止点。如图12所示。
该曝光截止点的曝光时间tg所对应的工作台扫描速度vg，位于监测信号强度-工作台扫描速度曲线(vM,AN)由饱和区进入下降区(工作台速度变化规律为匀加速直线运动)或由上升区进入饱和区(工作台速度变化规律为匀减速直线运动)的位置。
该曝光截止点的曝光时间tg所对应的曝光点位移sg，位于监测信号强度-工作台位移曲线(sM,AN)由饱和区进入下降区(工作台速度变化规律为匀加速直线运动)或由上升区进入饱和区(工作台速度变化规律为匀减速直线运动)的位置。
因此，可根据监测信号强度-工作台扫描速度曲线，结合监测信号强度-工作台扫描位移曲线，确定工作台扫描优化速度vg。
步骤四、进行全息光栅扫描光刻。在步骤三中，通过曝光量的监测，确定工作台扫描运动优化速度vg。
关闭曝光量监测系统，设定全息光栅扫描光刻系统为光刻模式，将vg作为整个光栅基底面积处的扫描光刻的扫描方向速度。扫描运动加减速段均在光栅基底之外，当干涉图样15进入光栅基底13后，以速度vg保持匀速直线运动。使干涉图样15扫描曝光形成潜像光栅19具有相同的截止曝光时间tg。工作台不断步进扫描，直至完成整块光栅基底的曝光。
本实施方式所述的全息光栅曝光量监测的基本原理为：曝光过程中，光栅基底上涂覆的光刻胶对光刻光源激光感光，将干涉图样中的干涉条纹记录在光刻胶中。此时光刻胶材料内部形成与干涉条纹周期相同的折射率变化，即潜像光栅。当监测激光入射到潜像光栅后，产生一级潜像光栅衍射，如图5所示，一级潜像衍射光的强度随曝光时间增加可分为启动区、线性上升区、饱和区和下降区四个变化过程，曝光时间决定了曝光量，通过潜像衍射光的强度变化可实现曝光量的监测。
根据全息光栅制作工艺，无需获取潜像衍射光的绝对强度，只需根据潜像衍射光探测信号强度变化规律，选择饱和区的某峰值点作为曝光截止点。在全息光栅扫描光刻中，在光刻光源能量确定的情况下，工作台扫描运动的速度决定曝光时间。因此，本发明提出在正式曝光前，使工作台按照一定规律运动，同步记录工作台扫描运动的位移和速度及一级潜像衍射光强度，建立一级潜像衍射光强度受工作台扫描运动速度的影响关系，确定全息光栅扫描光刻的优化速度，并利用此速度完成整个光栅的扫描光刻。
具体实施方式二、本实施方式为按照具体实施方式一所述的步骤一、步骤二、步骤三和步骤四的方法实施。
其中光刻光源激光9为满足相干长度和曝光波长要求的激光器发出，此处由Kr+激光器产生，波长为413.1nm。光学平台8垂直放置，保持静止。干涉光学系统10具有多种结构形式，内部包含分束棱镜、反射镜等光学元件及干涉条纹相位锁定、光束稳定系统等光电调整系统，最终产生小尺寸的圆形或矩形干涉图样。二维运动工作台14由双直线电机驱动。光栅基底13可采用K9光学玻璃及融石英材料，上表面涂有光刻胶，此处涂敷的光刻胶为日本Shipley 1805正型光致抗蚀剂。
监测光源1选用632.8nm的He-Ne激光器，Shipley 1805光刻胶对此波长感光可忽略不计。电控光闸2可选用机电型光闸，thorlabs SH05及其配套的驱动控制器(KSC101)。滤光片选用长波通滤光片，截止波长为550nm(thorlabs FEL0550)。光电探测器4选用光电倍增管，此处选择卓立汉光的PMTH-S1-CR131A倍增管搭配与其配套的HVC高压电源，光电倍增管连接具有同步触发功能的DCS300PA数据采集器后，采集器输出信号为6022，进入控制器6。基准光栅为反射式金属光栅。位移速度测量系统7为双频激光干涉仪，干涉计701为Agilent公司的10706A，702为金属膜层平面镜，702为双频激光器Agilent公司的5517B。
所述控制器6为带有PCI插槽的工控机，增益可调的AD转换板卡602为带有同步触发功能，可选择研华公司的PCI-1714UL，IO板卡603选用可以输出TTL电平的IO板卡，此处选择研华公司的PCI-1751。位移速度采集板卡601为带有同步触发功能的干涉仪采集卡，可选用Agilent的N1231。

Claims (9)

1.一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，包括配备一套全息光栅扫描光刻系统和装调后的全息光栅扫描光刻曝光量监测装置；所述全息光栅扫描光刻系统用于全息光栅扫描拼接曝光，装调后的全息光栅扫描光刻曝光量监测装置用于对曝光量监测；其特征是：所述全息光栅扫描光刻系统，包括光学平台(8)、光源激光(9)、干涉光学系统(10)、光栅基底(13)和二维工作台(14)；所述干涉光学系统(10)布置于光学平台(8)上，光学平台(8)下方是二维运动工作台(14)，所述二维运动工作台(14)用于承载涂覆有光刻胶的光栅基底(13)，进行步进扫描运动，其中X轴方向为步进运动方向，Y轴方向为扫描运动方向；
该方法由以下步骤实现：
步骤一、全息光栅扫描光刻系统中的光源激光(9)经过干涉光学系统(10)后产生第一相干光束(11)和第二相干光束(12)，所述第一相干光束(11)与第二相干光束(12)在光栅基底(13)的高度处完全重叠，形成干涉图样(15)；
装调后的全息光栅扫描光刻曝光量监测装置的电控光闸(2)打开后，监测光源(1)出射监测激光(17)，所述监测激光(17)在光栅基底(13)的高度处形成监测光斑(16)；所述监测光斑(16)中心与干涉图样(15)中心具有相同的X轴方向坐标，监测光斑(16)与干涉图样(15)沿Y轴方向不重叠；
调整二维运动工作台(14)，使干涉图样(15)位于曝光初始位置；所述干涉图样(15)及监测光斑(16)均位于光栅基底(13)有效范围外，关闭电控光闸(2)；
步骤二、采用装调后的全息光栅扫描光刻曝光量监测装置进行曝光量监测的预曝光，确定所述全息光栅扫描光刻系统在光刻过程中二维运动工作台(14)扫描运动速度；具体过程为：
步骤二一、所述全息光栅扫描光刻曝光量监测装置中的控制器(6)控制电控光闸(2)打开，二维运动工作台(14)沿Y轴方向开始扫描运动，当干涉图样(15)进入光栅基底(13)范围内时，干涉图样(15)对光栅基底(13)的光刻胶曝光形成潜像光栅(19)；当所述监测光斑(16)进入干涉图样(15)所形成的潜像光栅(19)后，所述潜像光栅(19)衍射的一级潜像衍射光(20)经过滤光片(3)进入光电探测器(4)；
步骤二二、所述控制器(6)同步采集所述全息光栅扫描光刻曝光量监测装置中的位移速度测量系统(7)输出的所述二维运动工作台(14)沿Y轴方向位移、速度及光电探测器(4)输出的一级潜像衍射光(20)强度变化的衍射光强监测信号；Y轴方向扫描运动速度决定了曝光量；通过衍射光强监测信号与二维运动工作台(14)沿Y轴方向速度的变化关系，确定最优的扫描运动速度，实现对曝光量进行优化控制。
2.根据权利要求1所述的一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，其特征在于：还包括根据步骤二确定的二维运动工作台(14)最优的扫描运动速度vg，进行全息光栅扫描光刻的步骤；
关闭全息光栅扫描光刻曝光量监测装置，设定全息光栅扫描光刻系统为光刻模式，将最优的扫描运动速度vg作为整个光栅基底面积处的扫描光刻的扫描方向速度；扫描运动加减速段均在光栅基底(13)之外，当干涉图样(15)进入光栅基底(13)后，以最优的扫描运动速度vg保持匀速直线运动，使干涉图样(15)扫描曝光形成潜像光栅(19)具有相同的优化截止曝光时间tg；二维运动工作台(14)不断步进扫描，直至完成整块光栅基底(13)的曝光。
3.根据权利要求1所述的一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，其特征在于：控制二维运动工作台(14)的速度按照分段匀速直线运动或匀变速直线运动进行扫描，所述按照分段匀速直线运动进行扫描，获得二维运动工作台(14)的最优的扫描运动速度的过程为：
设定每段匀速直线运动速度递增或递减，第k个匀速段的运行时间为：Δtk≥(R+r+d)/vk；其中，Δtk为第k个匀速段的运行时间，R为干涉图样(15)沿Y方向最大尺寸的一半，r为监测光斑(16)的半径，d为干涉图样(15)中心与监测光斑(16)中心沿Y方向的间隔，vk为第k个匀速段匀速运动中的速度；k＝1……N，N为分段匀速直线运动的段数；
在全息光栅曝光中，随着曝光时间的增加，一级潜像衍射光(20)强度变化分为启动区、线性上升区、饱和区和下降区四个变化过程；并根据监测信号强度的变化规律，选择线性上升区结束，进入饱和区的曝光时间作为曝光截止点终止曝光；
在全息光栅扫描光刻中，曝光时间由扫描运动的速度决定，控制器(6)同步采集二维运动工作台(14)扫描运动速度、位移和一级潜像衍射光(20)强度变化的衍射光强监测信号，第k段匀速运动中的速度vk，相应的曝光时间tek与1/vk成正比，该匀速段的衍射光强监测信号的强度为Ak；N段匀速直线运动获得N个采样点(1/vk，Ak)，将所述N个采样点的拟合曲线与一级潜像衍射光(20)随曝光时间的变化曲线变化一致，对N个采样点进行插值计算，确定曝光截止点所对应的二维运动工作台(14)的最优的扫描运动速度vg；
所述二维运动工作台(14)按照匀变速直线运动进行扫描，获得二维运动工作台(14)的最优的扫描运动速度的过程为：
曝光初始位置为二维运动工作台(14)扫描运动的时间和位移零点，设定某一时刻t0，二维运动工作台(14)距离曝光初始位置的距离为s0，二维运动工作台(14)开始以初始速度v0，加速度a开始进行匀变速直线运动；
设定M点位于干涉图样(15)扫描所形成的潜像光栅(19)的X方向中心位置，在tM时刻，M点与曝光初始位置的位移为sM，干涉图样(15)以速度vM进入M点形成潜像光栅；
若干涉图样(15)沿扫描方向的最大尺寸为2R，干涉图样(15)经过M点的过程中均为感光作用时间，M点的曝光时间teM与进入M点的速度vM的关系为：
Figure FDA0002981638190000031
所述M点的曝光时间teM与M点距离曝光初始位置的位移sM的关系为：
Figure FDA0002981638190000032
式中，a与R为已知，扫描过程中的速度和位移量vM、v0、sM、s0均通过位移速度测量系统(7)获取；
在匀变速直线运动过程中同时进行曝光监测，监测光斑(16)位于M点位置的时刻为tN，此时干涉图样(15)已完全经过M点，即tN>tM；控制器(6)实时同步采集tN时刻光电探测器(4)输出的一级潜像衍射光(20)的光强监测信号AN，二维运动工作台(14)的位移sN以及二维运动工作台(14)的速度vN；
绘制(vM，AN)在匀变速直线运动中的曲线，即为曝光量监测信号强度-工作台扫描速度曲线；绘制(sM，AN)在匀变速直线运动中的曲线，即为曝光量监测信号强度-工作台扫描位移曲线；
位于监测信号强度-工作台扫描速度曲线(vM,AN)由饱和区进入下降区或由上升区进入饱和区处的速度vg，对应于一级潜像衍射光(20)光强度随曝光时间变化曲线中的曝光截止时间tg，确定vg为光刻过程中二维运动工作台(14)的最优的扫描运动速度vg。
4.根据权利要求1所述的一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，其特征在于：所述干涉光学系统(10)的结构形式不同，干涉图样为圆形或矩形；干涉图样(15)相对于绝对坐标系O-XYZ保持静止。
5.根据权利要求1所述的一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，其特征在于：所述全息光栅扫描光刻曝光量监测装置包括监测光源(1)、电控光闸(2)、滤光片(3)、光电探测器(4)、基准光栅(5)、控制器(6)、位移速度测量系统(7)，监测光源(1)前端放置电控光闸(2)并固定于全息光栅扫描光刻系统的光学平台(8)上；滤光片(3)放置在光电探测器(4)前端，基准光栅(5)固定于二维运动工作台(14)上，基准光栅(5)上表面与光栅基底(13)上表面等高；
所述控制器(6)同步采集并记录光电探测器(4)及位移速度测量系统(7)的输出数据。
6.根据权利要求5所述的一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，其特征在于：所述监测光源(1)的波长选用全息光栅扫描光刻系统的光栅基底(13)所涂敷的光刻胶的非敏感波长；
监测激光(1)的波长λ在干涉图样(15)条纹周期D的条件下，根据光栅方程sinγ+sinβ＝mλ/D产生一级衍射光；式中γ为监测激光入射角，β为经过潜像光栅(19)的衍射角，m为衍射级次；滤光片(3)通带波段范围包括监测光源(1)的波长，但不包括光源激光(9)的波长。
7.根据权利要求5所述的一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，其特征在于：所述控制器(6)控制电控光闸(2)的打开和关闭，以同一触发信号同步采集位移速度测量系统(7)和光电探测器(4)的输出信号，并对数据进行处理和记录；所述控制器(6)包括中央控制器(600)、位移速度采集板卡(601)、增益可调的AD转换板卡(602)和控制电控光闸的IO板卡；
通过控制电控光闸的IO板卡(603)发出IO信号控制电控光闸(2)打开或关闭，通过增益可调的AD转换板卡(602)采集光电探测器(4)输出的电信号，通过位移速度采集板卡(601)采集位移速度测量系统(7)输出的信息。
8.根据权利要求5所述的一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，其特征在于：对所述全息光栅扫描光刻曝光量监测装置进行装调，获得装调后的全息光栅扫描光刻曝光量监测装置，具体过程为：
步骤一、调整所述二维工作台(14)，使干涉图样(15)位于基准光栅(5)上；利用基准光栅(5)调节干涉图样(15)中干涉条纹的周期与干涉条纹方向，则干涉图样(15)中干涉条纹周期与基准光栅(5)周期相等，所述干涉条纹方向与工作台Y向平行；
步骤二、调整监测光源(1)以及电控光闸(2)距离所述光学平台(8)的高度与方位，控制器(6)控制电控光闸(2)打开，调整所述二维工作台(14)的位置，使监测激光(17)入射到基准光栅(5)产生监测光斑(16)；
步骤三、选择监测光源(1)的波长，调节监测光源(1)出射光角度，监测激光(17)经过基准光栅(5)衍射后，产生一级光栅衍射光(18)；反复调节监测光源(1)的方位，使监测光斑(16)与干涉图样(15)沿X方向对齐，监测光斑(16)沿Y方向位于干涉图样(15)的一侧；
步骤四、在所述滤光片(3)及光电探测器(4)间插入中性滤光片(21)，调节所述滤光片(3)、中性滤光片(21)和光电探测器(4)距离光学平台(8)的高度与方位，使步骤三获得的一级光栅衍射光(18)正入射通过滤光片(3)及中性滤光片(21)进入光电探测器(4)；
所述控制器(6)控制电控光闸(2)关闭及打开若干次，控制器(6)读取光电探测器(4)输出的电信号，当所述电信号将随着电控光闸(2)的打开而出现，随着电控光闸(2)的关闭而消失时，则全息光栅扫描光刻曝光量监测装置调试完成。
9.根据权利要求8所述的一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法，其特征在于，全息光栅扫描光刻曝光量监测装置调试完成后，关闭电控光闸(2)，去掉中性滤光片(21)，准备在扫描光刻过程中进行曝光量监测。
CN202010640565.1A 2020-07-06 2020-07-06 一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法 Active CN111708257B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010640565.1A CN111708257B (zh) 2020-07-06 2020-07-06 一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010640565.1A CN111708257B (zh) 2020-07-06 2020-07-06 一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111708257A CN111708257A (zh) 2020-09-25
CN111708257B true CN111708257B (zh) 2021-09-03

Family

ID=72545893

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010640565.1A Active CN111708257B (zh) 2020-07-06 2020-07-06 一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111708257B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109171781B (zh) * 2018-11-06 2022-05-13 上海联影医疗科技股份有限公司 灌注扫描图像重建方法、装置、影像扫描设备及存储介质
CN112764327B (zh) * 2021-02-10 2021-09-07 中国科学院上海光学精密机械研究所 光栅基板表面光刻胶涂层在线扫描曝光预处理装置及方法
CN114002918B (zh) * 2021-10-12 2022-07-15 清华大学 光刻曝光剂量的测算方法、装置、设备、控制系统及介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0916062A (ja) * 1995-06-27 1997-01-17 Nikon Corp ホログラフィ再生装置
CN1786748A (zh) * 2005-11-17 2006-06-14 苏州大学 衍射光变图像的高速激光直写方法和系统
CN101441431A (zh) * 2008-12-29 2009-05-27 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 全息光栅制作中实时监测曝光量的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0916062A (ja) * 1995-06-27 1997-01-17 Nikon Corp ホログラフィ再生装置
CN1786748A (zh) * 2005-11-17 2006-06-14 苏州大学 衍射光变图像的高速激光直写方法和系统
CN101441431A (zh) * 2008-12-29 2009-05-27 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 全息光栅制作中实时监测曝光量的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111708257A (zh) 2020-09-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111708257B (zh) 一种全息光栅扫描光刻曝光量监测及控制方法
US11313758B2 (en) Apparatus and methods for measuring thermally induced reticle distortion
EP0151032B1 (en) Method of adjusting relative positions of two objects by using diffraction grating and control apparatus therefor
US4464030A (en) Dynamic accuracy X-Y positioning table for use in a high precision light-spot writing system
CN109374259A (zh) 全息光栅周期高精度在线测量与调节装置
JP6727327B2 (ja) 照明放射を発生するための方法及び装置
CN105181298A (zh) 多次反射式激光共焦长焦距测量方法与装置
CN110187424A (zh) 皮米光梳、皮米光梳的制造装置和制造方法
JP5739837B2 (ja) 露光装置、露光方法及びデバイス製造方法
JP2015528924A (ja) 光学距離測定システムを備えるマイクロリソグラフィー用の投影露光装置
US7349102B2 (en) Methods and apparatus for reducing error in interferometric imaging measurements
CN111708258B (zh) 一种全息光栅扫描光刻曝光量监测装置及调整方法
EP0222907A4 (en) A laser based gaging system and method of using same
CN115389445B (zh) 傅里叶红外干涉仪的控制方法、系统及可读存储介质
JPS5958305A (ja) 測定方法及びその装置
CN107687814A (zh) 一种测量装置
CN115164733A (zh) 一种基于皮米光梳的皮米测量系统及方法
JPS61155902A (ja) 干渉計測装置
CN107806822B (zh) 一种测量装置
JPH07503547A (ja) 距離測定用干渉型プローブ
JPS623280A (ja) 回折格子露光装置
JP2023060983A (ja) 非接触速度計の校正システム及び非接触速度計の校正方法
CN103591908A (zh) 基于原子力的角位移传感器
JP2692890B2 (ja) 位置関係検出装置
CN112229318A (zh) 皮米尺

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant