CN112764327B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

一种双光束干涉曝光系统中光栅基板表面光刻胶涂层在线扫描曝光预处理装置，包括：连续紫外激光光源，用于对光栅基板表面光刻胶涂层进行曝光；双光束干涉曝光系统；干涉场扫描测量系统，用于对干涉曝光场的强度分布进行二维扫描测量；扫描曝光预处理系统，将来自连续紫外激光光源的激光光束调制为具有一定空间强度分布和一定宽度的线激光束，并辐照在待处理光栅基板涂覆光刻胶的光刻胶面上。通过控制空间光调制器输出强度分布和一维位移台扫描速度实现光刻胶纳米涂层不同位置、不同曝光剂量的预处理。本发明解决了双光束干涉曝光技术制备衍射光栅中因干涉光束强度分布不均匀导致的光栅掩膜不均匀性的技术难关。

Description

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
技术领域
本发明涉及双光束干涉曝光制备衍射光栅领域，具体是针对光栅制备流程中光刻胶光栅掩膜制备工艺中的光刻胶扫描曝光预处理。
背景技术
衍射光栅是拍瓦超强超短激光装置、高能光谱合束激光武器、高端光谱仪以及高精度位移测量工件台等系统的核心元件，其制备流程十分复杂，主要包括光栅基板加工、光栅基板表面光刻胶涂覆、干涉曝光/显影、刻蚀及镀膜复形等过程。在上述光栅制备流程中，通过对光栅基板表面光刻胶进行曝光显影，制备出光刻胶光栅掩膜是整个衍射光栅研制过程中的关键一环。目前，光刻胶光栅掩膜的制备技术主要包括双光束静态干涉曝光技术和细光束动态扫描干涉曝光(Scanning Beam Interference Lithography,SBIL)技术。其中，双光束静态干涉曝光技术具有曝光系统简单、一次曝光光栅面积大以及光栅质量好等优点，因此是当前衍射光栅元件的主流制备技术。然而，由于曝光系统中使用的激光器输出光束强度为高斯分布，导致双光束干涉曝光场强度分布不均匀，这严重影响了光刻胶光栅掩膜的均匀性，并最终影响光栅衍射效率、光谱带宽等性能的均匀性。
为了解决这一难题，目前主要是通过提高曝光系统的放大倍率，并用光阑截取高斯光场中心区域相对均匀的部分来提高光刻胶光栅掩膜均匀性。但是，该技术方案带来的问题是曝光系统能量利用率极低，导致曝光时间急剧增加，进一步加剧了曝光过程中温度/湿度波动、气流扰动以及曝光平台震动等环境因素对光栅质量的不利影响，使得光栅制造效率和成品率大大降低。另外，基于微透镜阵列、非球面透镜组等元件的光束匀化技术也因存在衍射/干涉噪声、均匀光束传输距离有限等缺点很难在大口径干涉曝光技术中采用。因此，研究解决双光束干涉曝光技术制备衍射光栅过程中，因曝光不均匀导致光刻胶光栅掩膜不均匀性问题，是高质量衍射光栅掩膜，特别是米量级大尺寸光刻胶光栅掩膜研制过程中需要解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种对光栅基板表面涂覆的光刻胶进行在线扫描曝光预处理装置及方法，结合双光束干涉曝光系统的光场强度分布及光刻胶的非线性特性，通过对光栅基板表面不同位置的光刻胶进行预曝光补偿处理，提高利用双光束干涉曝光技术制备光栅过程中的光栅掩膜均匀性。
本发明的技术解决方案如下：
一种双光束干涉曝光系统中光栅基板表面光刻胶涂层在线扫描曝光预处理装置，其特点在于，包括：
连续紫外激光光源，用于对光栅基板表面光刻胶涂层进行曝光；
双光束干涉曝光系统，将来自连续紫外激光光源的激光光束分为两束平行且强度分布相同的双光束，并使双光束汇聚后形成干涉曝光场；
干涉场扫描测量系统，用于对干涉曝光场的强度分布进行二维扫描测量；
扫描曝光预处理系统，将来自连续紫外激光光源的激光光束调制为具有一定空间强度分布和一定宽度的线激光束，并辐照在待处理光栅基板涂覆光刻胶的光刻胶面上。
所述的扫描曝光预处理系统包括空间光调制器、激光线发生器和供待处理光栅基板放置的一维平移载物台，入射光依次经空间光调制器和激光线发生器后入射至待处理光栅基板；该入射光可以采用与双光束干涉曝光系统相同的连续紫外激光光源或是独立的连续紫外激光光源。
当干涉场扫描测量系统完成对干涉曝光场的强度分布二维扫描测量后，将被移开，此时，放置待处理光栅基板的一维平移载物台移入，且所述的干涉场扫描测量系统的探测面与待处理光栅基板的光刻胶面的位置相同；通过计算机分别控制所述的空间光调制器调制空间强度分布和一维平移载物台的移动速度，实现对待处理光栅基板光刻胶纳米涂层不同位置、不同曝光剂量的预处理。
利用上述双光束干涉曝光系统中光栅基板表面光刻胶涂层在线扫描曝光预处理装置进行光刻胶扫描曝光预处理的方法，其特点在于，包括如下步骤：
步骤1)双光束干涉曝光场强度分布测量：
步骤1.1)连续紫外激光光源通过双光束干涉曝光系统分为两束平行、且强度分布相同的双光束，且双光束汇聚后形成干涉曝光场；
步骤1.2)干涉场扫描测量系统对整个干涉曝光场的强度分布进行二维扫描测量，并将干涉曝光场不同位置点处的光强Pi及位置坐标(xi，yi)存储在计算机(8)中；
步骤2)扫描曝光预处理：
步骤2.1)遮挡双光束中任一束光束，利用另一束光束对待处理光栅基板的光刻胶面进行预曝光，并记录曝光时间T0，根据已测量的光场中间位置强度P0(x0，y0)，计算预曝光剂量Ep＝P0(x0，y0)*T0；
步骤2.2)利用双光束同时对预曝光后的待处理光栅基板的光刻胶面进行双光束干涉曝光，并记录干涉曝光时间Te，计算双光束干涉曝光剂量Ee＝2*P0(x0，y0)*Te和总曝光剂量E＝Ep+Ee；
步骤2.3)对曝光后的待处理光栅基板进行显影，检测光刻胶光栅掩膜槽深、占宽比以及表面轮廓参数，判断光栅结构是否满足设计要求，如不满足，则对光栅基板进行清洗并重新涂胶，然后返回步骤2.1)至步骤2.3)，直至光栅槽型结构满足设计要求后，记录此时最佳双光束干涉曝光剂量Ee,最佳总曝光剂量E和最佳干涉曝光时间Te；
步骤2.4)根据最佳总曝光剂量E和最佳总曝光时间Te，结合实际测量的双光束干涉曝光场不同位置点的光强Pi(xi，yi)，使空间不同点扫描曝光预处理剂量Es满足公式E＝Es+Pi(xi，yi)*Te，进而确定空间光调制器在不同空间位置点(xi，yi)需要输出的光强Ps(xi，yi)，公式如下：
Ps(xi，yi)＝(E-Pi(xi，yi)*Te)*(vs/d)
其中，Es＝Ps(xi，yi)*(d/vs)，d为线激光束(24)的宽度，vs为一维平移载物台的移动速度，d、vs结合曝光场的尺寸、位移台性能参数设定；
步骤2.5)通过计算机控制空间光调制器和一维平移载物台实现对光栅基板表面光刻胶的扫描曝光预处理。
本发明与现有技术相比较具有以下有益技术效果：
1.解决了双光束干涉曝光技术制备衍射光栅中因干涉光束强度分布不均匀导致的光栅掩膜不均匀性的技术难关。
2.不需要像传统曝光方案中那样对光束进行高倍扩束然后在截取中间强度分布均匀部分，大大提高了曝光系统能量利用率。
3.适用于任何利用双光束干涉曝光技术制备衍射光栅的技术方案中，通用性强。
附图说明
图1是本发明双光束干涉曝光系统中光栅基板表面光刻胶涂层在线扫描曝光预处理装置实施例的结构示意图
图中：1-连续紫外激光器、2-取样分束镜、3-第一反射镜、4-第一电子快门、5-空间光调制器、6-第二反射镜、7-激光线发生器、8-计算机、9-功率计、10-二维扫描工件台、11-第二电子快门、12-第三反射镜、13-分光镜、14-第四反射镜、15-第五反射镜、16-第一空间滤波系统、17-第二空间滤波系统、18-第一离轴抛物面反射镜、19-第二离轴抛物面反射镜、20-待处理光栅基板，21-一维平移载物台、22-平行光束、23-平行光束、24-线激光束
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
一种双光束干涉曝光系统中光栅基板表面光刻胶涂层在线扫描曝光预处理装置，包括：激光光源；双光束干涉曝光系统，将来自激光光源的激光光束分为两束平行且强度分布相同的双光束22、23，并形成干涉曝光场；功率探测系统，用于对干涉曝光场的强度分布进行二维扫描测量；曝光预处理系统，将来自激光光源的激光光束调制为空间强度分布可调的线激光束24，并辐照在待处理光栅基板20涂覆光刻胶的光刻胶面上。所述功率探测系统对干涉曝光场的强度分布进行二维扫描测量后，移除所述功率探测系统，将放置待处理光栅基板20的一维平移载物台21移入，并确保所述的功率探测系统的探测面与待处理光栅基板20的光刻胶面的位置相同。
图1是本发明双光束干涉曝光系统中光栅基板表面光刻胶涂层在线扫描曝光预处理装置实施例的结构示意图，如图所示，包括：
连续紫外激光光源，本实施例采用连续紫外激光器1输出紫外激光束；
双光束干涉曝光系统，将来自激光光源的激光光束分为两束平行且强度分布相同的双光束22、23，并形成干涉曝光场；本实施例中包括：第二电子快门11、第三反射镜12、分光镜13、第四反射镜14、第五反射镜15、第一空间滤波系统16、第二空间滤波系统17、第一离轴抛物面反射镜18和第二离轴抛物面反射镜19。所述连续紫外激光器1输出的紫外激光束经取样分束镜2透射后，依次经第二电子快门11和第三反射镜12，入射到分光镜13，选择分光镜13的分光比，使双光束平行且强度分布相同，并分别经反射镜、空间滤波系统和离轴抛物面反射镜后，形成干涉曝光场。
本实施例采用与计算机8的输入端相连的功率计9和二维扫描工件台10构建功率探测系统，用于对干涉曝光场的强度分布进行二维扫描测量。功率计9安装在二维扫描工件台10上，通过计算机8可以控制二维扫描工件台10旋转，带动功率计9对整个干涉曝光场强度分布进行二维扫描测量，并将曝光场不同位置点处的光强Pi及位置坐标(xi，yi)信息存储在计算机8中，完成双光束干涉曝光场强度分布测量。
干涉场扫描测量系统完成对干涉曝光场的强度分布的二维扫描测量后，被移除。将放置待处理光栅基板20的一维平移载物台21移入，并确保所述的功率探测系统的探测面与待处理光栅基板20的光刻胶面的位置相同。
扫描曝光预处理系统，将来自激光光源的激光光束形成线激光束24辐照在待处理光栅基板20涂覆光刻胶的光刻胶面上；本实施例中包括：取样分束镜2、第一反射镜3、第一电子快门4、空间光调制器5、第二反射镜6、激光线发生器7、一维平移载物台21和计算机8，所述的空间光调制器5、一维平移载物台21与计算机8的输入端相连；待处理光栅基板20放置在一维平移载物台21上，所述连续紫外激光器1输出的紫外激光束经取样分束镜2反射后，依次经第一反射镜3和第一电子快门4后，入射到空间光调制器5，经该空间光调制器5调制后，依次经第二反射镜6和激光线发生器7后形成一束线激光束24，辐照在待处理光栅基板20涂覆光刻胶的光刻胶面上。通过控制预处理系统中的空间光调制器输出强度分布和一维位移台移动速度实现光刻胶纳米涂层不同位置、不同曝光剂量的预处理。
一种光栅基板表面光刻胶涂层在线扫描曝光预处理，包括双光束干涉曝光场强度分布测量和扫描曝光预处理两个阶段：
双光束干涉曝光场强度分布测量阶段，具体包含以下步骤：
①利用连续紫外激光器1、第二电子快门11、第三反射镜12、分光镜13、第四反射镜14、第五反射镜15、第一空间滤波系统16、第二空间滤波系统17、第一离轴抛物面反射镜18和第二离轴抛物面反射镜19搭建双光束干涉曝光系统，选择所述分光镜13分光比，使双光束22、23强度分布相同，并形成干涉曝光场；
②利用取样分束镜2、第一电子快门4、第一反射镜3、第二反射镜6、空间光调制器5、激光线发生/扫描器7搭建扫描曝光预处理系统；
③将功率计9固定在二维扫描工件台10上面，并使所述功率计9的探测面与干涉曝光场重合；
④将功率计9和二维扫描工件台10分别与所述计算机8连接；
⑤关闭第一电子快门4，打开第二电子快门11，利用计算机8控制所述二维扫描工件台10带动功率计9对整个干涉曝光场强度分布进行二维扫描测量，并将曝光场不同位置点处的光强Pi及位置坐标(xi，yi)信息存储于计算机8中，完成双光束干涉曝光场强度分布测量。
扫描曝光预处理阶段，具体包括以下步骤：
①结合对待处理光栅基板20表面涂覆的光刻胶类型、所述连续紫外激光器1发射波长、光栅基板表面光刻胶烘烤/显影工艺条件以及需要制备的光栅结构，利用双光束22、23中间光强分布均匀的区域测定光栅制备所需的最佳预曝光量Ep和最佳双光束干涉曝光剂量Ee及曝光时间Te，具体过程包括以下几个步骤：
Ⅰ、打开第一电子快门4，关闭第二电子快门11，遮挡双光束22、23中任一束光束，利用另一束光束对待处理光栅基板20的光刻胶面进行预曝光并记录曝光时间T0，根据已测量的光场中间位置强度P0(x0，y0)，计算预曝光剂量Ep＝P0(x0，y0)*T0；
Ⅱ、双光束22、23同时对预曝光后的对待处理光栅基板20的光刻胶面进行双光束干涉曝光，并记录曝光时间Te，计算双光束干涉曝光剂量Ee＝2*P0(x0，y0)*Te和总曝光剂量E＝Ep+Ee；
Ⅲ、对曝光后的光栅基板进行显影，检测光刻胶光栅掩膜槽深、占宽比以及表面轮廓等参数，判断光栅结构是否满足设计要求；
Ⅳ、不断重复步骤Ⅰ-Ⅲ直至光栅槽型结构满足设计要求，记录下此时所需的曝光剂量E和曝光时间Te，即最佳总曝光剂量E和最佳曝光时间Te；
②根据最佳总曝光剂量E和最佳曝光时间Te，结合实际测量的双光束干涉曝光场不同位置点的光强Pi(xi，yi)，确定空间光调制器在不同空间位置点(xi，yi)需要输出的光强Ps(xi，yi)，使空间不同点扫描曝光预处理剂量Es满足公式E＝Es+Pi(xi，yi)*Te。其中，Es＝Ps(xi，yi)*(d/vs)，d为线激光束(24)的宽度，vs为一维平移载物台(21)的扫描速度；
需要说明的是，上式中Pi(xi，yi)已在步骤1.1)中完成测量，并存储于计算机内；最佳总曝光剂量E和最佳总曝光时间Te已完成测量；d和vs两个参数可以结合曝光场的尺寸、位移台性能参数等实际情况进行选择设定。上述参数确定后，空间光调制器输出光强分布Ps由下式确定：Ps(xi，yi)＝(E-Pi(xi，yi)*Te)*(vs/d)。
③通过计算机(8)控制空间光调制器(5)和一维平移载物台(21)实现对光栅基板(20)表面光刻胶的扫描曝光预处理。

Claims (3)

1.一种双光束干涉曝光系统中光栅基板表面光刻胶涂层在线扫描曝光预处理装置，其特征在于，包括：
连续紫外激光光源，用于对光栅基板表面光刻胶涂层进行曝光；
双光束干涉曝光系统，将来自连续紫外激光光源的激光光束分为两束平行且强度分布相同的双光束，并使双光束汇聚后形成干涉曝光场；
干涉场扫描测量系统，用于对干涉曝光场的强度分布进行二维扫描测量；
扫描曝光预处理系统，将来自连续紫外激光光源的激光光束调制为具有一定空间强度分布和一定宽度的线激光束(24)，并辐照在待处理光栅基板(20)涂覆光刻胶的光刻胶面上，所述的扫描曝光预处理系统包括空间光调制器和供待处理光栅基板(20)放置的一维平移载物台(21)；
利用双光束中间光强分布均匀的区域测定光栅制备所需的最佳预曝光量Ep和最佳双光束干涉曝光剂量Ee及曝光时间Te；
结合双光束干涉曝光系统的光场强度分布及光刻胶的非线性特性，通过对光栅基板表面不同位置的光刻胶进行预曝光补偿处理，即通过计算机分别控制所述的空间光调制器调制空间强度分布和一维平移载物台(21)的移动速度，实现对待处理光栅基板(20)光刻胶纳米涂层不同位置、不同曝光剂量的预处理。
2.根据权利要求1所述的双光束干涉曝光系统中光栅基板表面光刻胶涂层在线扫描曝光预处理装置，其特征在于，包括：
当干涉场扫描测量系统完成对干涉曝光场的强度分布二维扫描测量后，将被移开，此时，放置待处理光栅基板(20)的一维平移载物台(21)移入，且所述的干涉场扫描测量系统的探测面与待处理光栅基板(20)的光刻胶面的位置相同；通过计算机分别控制所述的空间光调制器调制空间强度分布和一维平移载物台(21)的移动速度，实现对待处理光栅基板(20)光刻胶纳米涂层不同位置、不同曝光剂量的预处理。
3.利用权利要求2所述的双光束干涉曝光系统中光栅基板表面光刻胶涂层在线扫描曝光预处理装置进行光刻胶扫描曝光预处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)双光束干涉曝光场强度分布测量：
步骤1.1)连续紫外激光光源通过双光束干涉曝光系统分为两束平行、且强度分布相同的双光束，且双光束(22、23)汇聚后形成干涉曝光场；
步骤1.2)干涉场扫描测量系统对整个干涉曝光场的强度分布进行二维扫描测量，并将干涉曝光场不同位置点处的光强Pi及位置坐标(xi，yi)存储在计算机(8)中；
步骤2)扫描曝光预处理：
步骤2.1)遮挡双光束(22、23)中任一束光束，利用另一束光束对待处理光栅基板(20)的光刻胶面进行预曝光，并记录曝光时间T0，根据已测量的光场中间位置强度P0(x0，y0)，计算预曝光剂量Ep＝P0(x0，y0)*T0；
步骤2.2)利用双光束(22、23)同时对预曝光后的待处理光栅基板(20)的光刻胶面进行双光束干涉曝光，并记录干涉曝光时间Te，计算双光束干涉曝光剂量Ee＝2*P0(x0，y0)*Te和总曝光剂量E＝Ep+Ee；
步骤2.3)对曝光后的待处理光栅基板(20)进行显影，检测光刻胶光栅掩膜槽深、占宽比以及表面轮廓参数，判断光栅结构是否满足设计要求，如不满足，则对光栅基板进行清洗并重新涂胶，然后返回步骤2.1)至步骤2.3)，直至光栅槽型结构满足设计要求后，记录此时最佳双光束干涉曝光剂量Ee,最佳总曝光剂量E和最佳干涉曝光时间Te；
步骤2.4)根据最佳总曝光剂量E和最佳总曝光时间Te，结合实际测量的双光束干涉曝光场不同位置点的光强Pi(xi，yi)，使空间不同点扫描曝光预处理剂量Es满足公式E＝Es+Pi(xi，yi)*Te，进而确定空间光调制器在不同空间位置点(xi，yi)需要输出的光强Ps(xi，yi)，公式如下：
Ps(xi，yi)＝(E-Pi(xi，yi)*Te)*(vs/d)
其中，Es＝Ps(xi，yi)*(d/vs)，d为线激光束(24)的宽度，vs为一维平移载物台(21)的扫描速度，d、vs结合曝光场的尺寸、位移台性能参数设定；
步骤2.5)通过计算机(8)控制空间光调制器(5)和一维平移载物台实现对光栅基板(20)表面光刻胶的扫描曝光预处理。
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