扫描干涉场曝光系统中周期设定对曝光刻线相位的影响

扫描干涉场曝光系统中的干涉条纹周期是相位锁定系统的重要参数,其设定值与名义值之间的偏差会引起相邻扫描间的干涉条纹相位拼接误差。为获取以扫描曝光方式所制作光栅的衍射波前特征,根据步进扫描曝光的特点及动态相位锁定的工作原理,建立了扫描曝光的数学模型,给出了曝光刻线误差及曝光光栅周期的变化规律,并进行了相关实验验证。结果表明,相位锁定中周期设定误差会带来周期性的刻线误差。曝光光栅周期会随周期设定值的变化而改变,当周期设定误差较小时,曝光光栅周期等于周期设定值。对于曝光光斑束腰半径为0.9mm、曝光步进间隔为0.6mm、曝光条纹周期为555.6nm的系统参数,周期设定的相对误差小于278×10-6时,周期性的刻线误差小于1nm。若要求曝光对比度大于0.9,则周期设定的相对误差需要控制在92.6×10-6以内,周期设定值及曝光光栅周期的可变范围为102.8pm。     

扫描干涉场曝光中光栅掩模槽形轮廓的预测

根据扫描干涉场曝光的特点,针对光刻胶层内曝光量的驻波效应,建立了动态曝光模型。基于快速推进法建立了显影模型,得到了光栅掩模槽形的演变规律。为减弱驻波效应的影响,提出了一种抗反射层最优厚度的设计方法。仿真结果表明,建立的曝光和显影模型能有效预测光栅掩模的槽形轮廓,同时可优化抗反射膜的厚度。     

全息光栅干涉条纹三维锁定系统的设计

全息曝光系统中干涉条纹的稳定性直接影响光栅掩模质量。研究了参考干涉条纹的特性,提出一种光栅相位、倾斜度和周期的检测方法。为提高光栅曝光系统的稳定性,设计了一套全息光栅干涉条纹三维锁定系统。利用摄像机对参考干涉条纹进行检测,利用微电机和压电陶瓷对光路进行微调,可实现对光栅相位、倾斜度和周期的有效控制。实验结果表明,三维锁定系统可有效提高干涉条纹的稳定性,缩短光栅曝光前的静台稳定时间,提高光栅曝光对比度,可为大口径全息光栅曝光质量的提高提供技术支持。     

扫描干涉场曝光系统中光束对准误差及其控制

为了提升扫描干涉场曝光光束对准精度,保证制作的光栅掩模槽形的质量,建立了曝光光束对准误差模型,利用模型对光束对准误差进行了分析。同时为了满足系统对光束重叠精度的要求,设计研制了光束自动对准系统,并对曝光光束进行了对准实验。分析结果表明,当光束存在较大对准误差时,光栅基底表面曝光对比度大幅下降,而且由于采用步进扫描的曝光方式,光刻胶表面出现了各处曝光不均匀的现象,影响光栅掩模槽形的质量。设计的对准系统可以对光束角度与位置进行对准调节,系统整体表现出良好的收敛性能,多步调节后可使光束位置对准精度优于10μm,光束角度对准精度优于9μrad。这样的曝光光束对准精度可以满足系统要求,达到了预期的设计目的。     

全息光栅制作中光栅掩模形状随曝光量及干涉场条纹对比度的变化规律

为了在光栅制作中对光栅掩模占宽比及槽深加以控制,结合光刻胶在显影过程中的非线性特性,建立了光栅掩模槽形演化的数学模型,由此分析和模拟曝光量、条纹对比度对光栅槽形的影响。结果表明:在显影条件确定时,光栅掩模占宽比随光刻胶曝光量的增大而减小,条纹对比度减小,则不仅使光栅占宽比减小,同时也是使光栅槽深减小的主要原因,这样做的前提是预先通过实验和计算确定出一个曝光量上限Ec。该方法能够反映光栅掩模形状的演化规律,为全息光栅参数预测和工艺控制提供依据。     

全息光栅光刻胶掩模槽形演化及其规律研究

为了控制全息光栅光刻胶掩模槽形,运用曝光模型和显影模型模拟了掩模的槽形形成过程和变化规律。实验对比了不同曝光量,不同显影浓度,不同空频条件下的掩模槽形,特别是占宽比(光栅齿宽度与光栅周期的比)的情况。实验结果表明,实际槽形与模拟槽形很接近。模拟和实验均发现,在大曝光量、高浓度显影、高空频的光栅条件下所得槽形占宽比较小,槽深主要由原始胶厚决定。     

扫描干涉场曝光系统中干涉条纹周期精确测量方法

扫描干涉场曝光系统中的干涉条纹周期是相位锁定系统的重要参数,为精确测量干涉条纹周期,根据扫描干涉场曝光系统的特点提出了分束棱镜移动测量干涉条纹周期的方法,根据高斯光束传播理论,分析了该方法的理论误差;提出了周期计数法对周期测量数据进行计算。为降低对系统二维工作台运行及稳定精度的要求,提出了小行程高精度位移台辅助测量周期的方法,并进行了相关实验验证。结果表明:小行程位移台辅助周期测量方法在原理上可行,对于干涉条纹线密度1800 line/mm的系统参数,小行程位移台辅助周期测量的重复性可达到1.08×10-5(σ值),曝光实验的实测值与理论模型之间一致性较好,验证了该周期测量方法的可行性。     

低陡度光刻胶光栅槽形研究

为控制全息光刻胶光栅槽形,从研究显影时间、显影液温度等对光刻胶特性曲线的影响出发,采用计算机模拟和实验方法,制作出底部占宽比30%左右,陡度65°左右的低陡度光刻胶光栅掩模.研究发现：启动曝光量随显影时间的延长而减小,光刻胶特性曲线线性部分的斜率随着显影时间的增加而增加;显影液温度高的光刻胶启动曝光量大,其特性曲线线性部分的斜率也较大.这决定了制作低陡度光刻胶光栅掩模需要使用非1∶1的干涉曝光,以及必须采用较低温度的显影液进行显影处理.最终选用1∶7的干涉曝光和15℃的显影液.     

改变写入Bragg波长的干涉条纹运动的扫描式Talbot干涉仪

一种干涉条纹运动的扫描式Talbot干涉仪被用于改变光纤Bragg光栅的写入Bragg波长。在系统中,光纤光栅是由来自相位掩模的±1级衍射光经平面镜反射后在远场形成紫外干涉条纹写入的,其中,相位掩模被用作±1级衍射光的分束器。值得注意的是通过干涉条纹的运动来扫描写入光纤光栅,有效降低了Talbot干涉仪对写入光源相干性的要求。     

平面全息光栅曝光系统中的分光器件特性分析

分光器件是全息光栅曝光系统中的关键光学元件,它将入射激光光束分成两束,两相干光束叠加后形成干涉条纹。曝光系统的稳定性不但影响干涉条纹对比度,还影响光栅衍射波前像差、杂散光水平以及光栅掩模刻槽质量。为了提高曝光系统的稳定性,分析入射光束角度偏离与两相干光束夹角(2θ)的关系,并结合干涉条纹周期公式,分别导出了以光栅和棱镜作为分光器件时入射激光束角度偏离量与待制作光栅空间相位差的解析表达式,据此分析了光栅和棱镜曝光系统的稳定性。结果表明,采用光栅分光的曝光系统的稳定性比棱镜分光曝光系统稳定性提高5~6个数量级,这对长时间曝光制作全息光栅具有实际意义。     

一种控制矩形光刻胶光栅槽深和占宽比的方法

利用光刻胶的非线性效应可以制作出了矩形的全息光栅。制作矩形光栅时,对槽形的控制被简化为对槽深和占宽比这两个参量的控制。首先借助实时潜像监测技术获得最佳曝光量,然后根据显影监测曲线的特征找出光栅槽底的残胶厚度为零的显影时刻,就能得到槽底干净的矩形光栅,同时保证槽深近似等于光刻胶的初始厚度;如果此后继续显影,就能适度减小占宽比。实验结果和理论分析都证实了这种控制方法的可靠性。对1200lp／mm的光栅,目前工艺能精确调控的最大槽深为1μm,占宽比在0．2～0．6范围内。实验还揭示,为了提高对光栅槽形的调控能力,必须首先提高干涉条纹的稳定性。     

基于远场干涉的扫描干涉场曝光光学系统设计与分析

高斯光在远离束腰位置能得到直线度极高的干涉条纹,基于此提出了一种基于远场干涉的新型扫描干涉场曝光(SBIL)系统。建立了条纹相位非线性误差关于高斯光束腰半径、入射角度及束腰到基底距离的解析表达式。通过数值仿真,详细分析了条纹相位非线性误差与上述参数的关系。研究结果表明,该光学系统可以有效地将条纹相位非线性误差限制在纳米量级,并具有光路简洁、装调误差宽容度较高的优点。适当缩短束腰到基底的距离,可有效解决曝光光斑边界处条纹相位非线性误差恶化的问题。     

用于扫描干涉场曝光的超精密微动台设计与控制

扫描干涉场曝光(SBIL)系统中曝光效果与工件台的运动性能密切相关。为了制作纳米精度的大面积平面光栅,工件台采用了粗微叠层结构设计,其中微动台是实现工件台运动精度的关键。基于SBIL原理,推导了干涉条纹周期测量精度与曝光对比度的关系。针对移动分光镜测量干涉条纹周期的方法,结合周期测量精度需求,分析了微动台定位精度指标,提出了实现微动台x、y、θz三个自由度定位精度的控制器设计方法,并在微动台系统上进行了实验验证。结果表明,微动台x方向定位精度可达±1.51nm,y方向定位精度可达±5.46nm,θz定位精度可达±0.02μrad,可以满足SBIL的需求和干涉条纹周期测量的精度要求。     

全息光栅拼接系统中的像差补偿法

全息光栅拼接参数需要用参考干涉条纹来检测。系统像差会造成干涉条纹扭曲,产生光栅拼接误差。为补偿像差造成的光栅拼接误差,对像差与干涉条纹扭曲量之间的理论关系进行了研究,利用计算机模拟了参考干涉条纹图像,并将光栅拼接误差预调制到参考干涉条纹图像中。为验证该方法的有效性,在曝光系统像差峰-峰值为0.72λ的情况下进行了光栅拼接实验,在光栅拼缝处像差造成-1级衍射波面最大突变量为0.36λ。利用预制参考干涉条纹图像作为拼接参考时,其最大突变量为0.097λ。实验结果表明,在曝光系统像差较大的情况下,干涉条纹预制法能够有效地控制光栅拼接误差。     

脉冲压缩光栅光学拼接方法研究

脉冲压缩光栅是激光约束核聚变系统中的重要光学元件.随着激光约束核聚变工程的快速发展,对光栅的口径要求越来越大.全息技术是制造大口径脉冲压缩光栅的重要手段,其制作的光栅大小受限于记录光学系统口径.为了制造出超大口径的脉冲压缩光栅,提出了一种采用多次曝光拼接技术制作大口径脉冲压缩光栅的方法.该方法采用参考光栅作为检测元件,利用其再现的光学特性,以检测记录干涉光场与已记录光栅之间位相匹配情况,并利用条纹锁定系统控制记录干涉光场的相位,实现光学拼接制作大口径脉冲压缩光栅的目的.开展了1740lp/mm光栅拼接实验研究.拼接对准精度优于30 nm.     

光刻胶特性曲线参数测量的新方法

文中通过台阶实验的数据结合光刻胶光栅掩模的槽形,得到光刻胶特性参数,利用这些参数可以模拟出任一曝光量,任一显影时间,任一空频下,光栅掩模的槽形.为今后制作符合要求的光栅提供有力依据.     

全息光栅槽深的近似计算

假设感光材料的曝光和处理过程都是线性的,那么全息光栅的槽形就取决于干涉条纹的光强度分布对感光层的调制深度.设有光强度为I1和I2的两列相干平面波前,它们相遇时所产生的干涉条纹的光强度分布为式中φ是两列相干波前的位相差,所以全息光栅的槽形分布是一个正弦(或者余弦)函数. 一个正弦函数可以用周期和振幅两个参数来表示,在这里周期是全息光栅的槽距,振幅就是槽深的一半.当槽距给定时,若选择不同的槽深可以获得不同的光栅槽形,反之亦然.我们知道,槽形决定光栅的衍射效率,所以对于正弦槽形的全息光栅来说,要合理选择槽距和槽深,以获得…     

干涉条纹相位锁定系统分析及其控制

干涉条纹的相位变化与干涉条纹中某一固定点的光强密切相关,基于这一原理,通过对干涉场光强分析,提出并设计了一种用于干涉条纹相位锁定的控制系统.光电探测器检测干涉条纹中固定目标点的光强,并以该光强电压作为反馈控制信号,利用声光调制器对干涉系统中两束高斯光束中的一束进行实时频率调制,将光强电压控制在一个固定值,实现干涉条纹的相位锁定.构建了条纹锁定控制系统控制对象的理论模型,通过实验进行了验证,并基于该模型的特点设计了条纹锁定控制器.实验结果表明:在400Hz的控制频率下,干涉条纹相位漂移不超过±0.04个条纹周期,满足干涉光刻的曝光需求.     

基于扫描白光干涉法的LCOS芯片像素级相位分析

提出了一种扫描白光干涉法,用于获取LCOS芯片的相位调制特性曲线并对其进行相位校准,而且实现了对LCOS芯片建立的相位光栅的像素级相位分析.将补偿玻璃平板紧贴于参考镜处,克服了白光短相干长度的限制,提高了干涉条纹间的对比度.利用Morlet小波变换法求取白光干涉信号包络曲线的峰值点进行相位值重构,实现了0.01π的相位测量精度,同时保证了横向分辨率为0.79μm.利用Logistics函数对相位调制幅度为2π的二元光栅相位轮廓进行拟合,得到其相位回程区宽度为11.49μm.小像素LCOS芯片构建的闪耀光栅存在相位线性增长区和相位回程区.周期为40μm的闪耀光栅相位回程区宽度为8.81μm,其衍射效率为71.9%.对不同周期的闪耀光栅的相位轮廓进行分析,结果表明:闪耀光栅的周期越小,相位回程区相对宽度越大,衍射效率降低.     

全息光栅非对称曝光显影的理论模拟及实时监测

两束记录光非对称入射必然造成光刻胶中潜像光栅"沟槽"的倾斜,进而影响显影后光栅沟槽的形状。特别是在凹面全息光栅的制作中,两束记录光一般都是非对称入射。为了能够从理论上分析并指导非对称全息光栅的制作,建立了非对称曝光、显影理论模型,重点分析了两束记录光从光栅表面一侧照射的情况。运用此模型模拟了光栅沟槽的形成过程,计算了全息光栅制作中非对称曝光、显影的实时监测曲线。理论计算显示,非对称曝光下,曝光实时监测曲线和显影实时监测曲线变化趋势与对称曝光时相同,只是衍射效率值不同,这与实验结果吻合;数值模拟光栅沟槽的演化发现,非线性效应特别显著时得到的沟槽为倾斜矩形,非线性效应比较显著时得到的沟槽为非对称梯形,非线性效应受到抑制时得到的沟槽为非对称性不明显的正弦形,这与实验结果一致。该模型能够有效地指导全息光栅掩模的制作,有助于为离子束刻蚀工艺提供所需的合格掩模。