一種寬光束掃描曝光方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種掃描曝光方法，特別是關(guān)于一種寬光束掃描曝光方法。
【背景技術(shù)】
[0002]衍射光柵作為一種典型的衍射光學(xué)元件，被廣泛應(yīng)用于光譜分析、精密計(jì)量、集成光學(xué)、信息處理和激光脈沖壓縮等領(lǐng)域。目前，大尺寸全息光柵的制造方法主要有單次曝光、掃描曝光和曝光拼接等方法。曝光過程中的條紋鎖定是非常關(guān)鍵的。雙光束全息曝光法是最通用的制作全息光柵的方法。
[0003]美國Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室利用口徑達(dá)1.09m的曝光透鏡，單次曝光制造出面積為910X450mm2的光柵。單次曝光的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)成熟、系統(tǒng)簡單，缺點(diǎn)是光柵面積和質(zhì)量均取決于曝光透鏡，制作高質(zhì)量大光柵需要使用大口徑的非球面鏡，成本很高，特別是制作口徑明顯超過米級(jí)的非球面鏡目前仍不現(xiàn)實(shí)。掃描曝光方法是采用口徑僅Imm左右的細(xì)光束形成的干涉條紋，對運(yùn)動(dòng)的基板沿柵線方向進(jìn)行往復(fù)掃描，以制造大面積的光柵區(qū)域。目前美國Plymouh Grating Laboratory公司采用掃描曝光方法制造出面積為910 X 420mm2的光柵。掃描曝光方法的優(yōu)點(diǎn)在于細(xì)光束曝光干涉場質(zhì)量好，對光柵尺寸沒有限制，缺點(diǎn)是使用雙頻激光干涉信號(hào)進(jìn)行掃描過程中的條紋鎖定，對掃描系統(tǒng)的精密控制導(dǎo)致系統(tǒng)極為復(fù)雜?；跐撓竦钠毓馄唇邮且环N分區(qū)曝光的方法。曝光拼接是用較小的曝光區(qū)域進(jìn)行一次曝光后，將光柵移動(dòng)到下一個(gè)位置，根據(jù)潛像光柵(光刻膠折射率被曝光光場調(diào)制后得到的衍射效率非常低的光柵)在曝光光場中形成的干涉條紋，調(diào)節(jié)兩次曝光的位相和姿態(tài)，再進(jìn)行下一次曝光。曝光拼接方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)相對簡單，鎖定方法完全自參考，拼接精度高；缺點(diǎn)是拼接處存在接縫。
[0004]光柵雜散光是評(píng)價(jià)光柵品質(zhì)的重要技術(shù)指標(biāo)。雜散光來自光柵槽形誤差、粗糙度和柵距誤差等。降低光柵雜散光對于提高光譜儀的檢出限有著重要的意義。以上三種光柵制作方法雖然有可能通過光路調(diào)節(jié)減少柵距誤差引入的雜散光，但是激光散斑的存在使得高頻的槽形和粗糙度誤差不可避免。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠制造大尺寸或低雜散光全息光柵的寬光束掃描曝光方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種寬光束掃描曝光方法，其包括以下步驟:1)設(shè)置一雙光束曝光系統(tǒng)，其包括激光器、分光鏡、第一至第三反射鏡、第一至第二顯微物鏡、第一至第二針孔、第一至第二準(zhǔn)直透鏡和涂覆光刻膠的基板，激光器發(fā)出的光束經(jīng)分光鏡分成兩束，第一束光經(jīng)第一反射鏡反射后進(jìn)入第一顯微物鏡中，經(jīng)第一顯微物鏡聚焦后進(jìn)入第一針孔，經(jīng)第一針孔濾波后進(jìn)入第一準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)第一準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后成為第一平行光束；第二束光依次經(jīng)第二、第三反射鏡反射后進(jìn)入第二顯微物鏡，經(jīng)第二顯微物鏡聚焦后進(jìn)入第二針孔，經(jīng)第二針孔濾波后進(jìn)入第二準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)第二準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后成為第二平行光束；第一、第二平行光束在涂覆光刻膠的基板表面形成干涉場；將所述雙光束曝光系統(tǒng)中沿光柵矢量方向作為X方向，沿光柵柵線方向作為y方向，沿基板法線方向作為z方向；2)利用擋光屏限制基板表面形成的干涉場，并在基板右邊緣留出面積為AXd的矩形區(qū)域；將第一、第二準(zhǔn)直透鏡的口徑設(shè)置為D，利用寬度d為D/10?D/5的光束對基板右邊緣面積為AX d的矩形區(qū)域進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間為t，得到一條面積為AX d的工藝邊，此時(shí)工藝邊上就得到了潛像光柵；3)在第一準(zhǔn)直透鏡與基板之間的光路上推入第一衰減光楔，使得第一平行光束照射到面積為AXd的工藝邊上的部分被完全衰減；在第二準(zhǔn)直透鏡與基板之間的光路上推入第二衰減光楔，使得第二平行光束照射到工藝邊上的部分被完全衰減；在面積為AXd的工藝邊上形成面積為AXd的潛像條紋；在第二平行光束側(cè)設(shè)置一探測器，第二衰減光楔將面積為AXd的潛像條紋反射到探測器上，探測器接收到的潛像條紋用于條紋鎖定；4)將擋光屏相對于基板沿-X方向移動(dòng)，在基板上工藝邊左側(cè)留出面積為AX4d的矩形區(qū)域；基板靜止不動(dòng)，對工藝邊左側(cè)面積為AX3d的區(qū)域進(jìn)行t時(shí)間曝光；對位于面積為AX 3d區(qū)域左側(cè)的面積為AXd的區(qū)域進(jìn)行線性曝光；在對工藝邊左側(cè)面積為AX4d的區(qū)域進(jìn)行曝光的過程中，利用探測器探測步驟3)中面積為AXd的潛像條紋上的位相變化；在第一反射鏡與第一顯微物鏡之間的光路上增設(shè)第一聲光調(diào)制器，在第三反射鏡與第二顯微物鏡之間的光路上增設(shè)第二聲光調(diào)制器，第一聲光調(diào)制器對第一光束進(jìn)行調(diào)制，第二聲光調(diào)制器對第二光束進(jìn)行調(diào)制，使得調(diào)制后的第一光束和第二光束之間產(chǎn)生位相差，利用位相差對探測器探測到的位相變化進(jìn)行補(bǔ)償，使得面積為AXd的潛像條紋保持不動(dòng)；5)相對于基板繼續(xù)沿-X方向推入第一、第二衰減光楔，使得照射到面積為AX3d的靜止曝光區(qū)域的光束被完全衰減，形成面積為AX 3d的潛像條紋；利用寬度為d的光束對面積為AX 3d的潛像條紋左側(cè)的全部區(qū)域依次進(jìn)行掃描曝光，掃描曝光過程中基板以速度V沿+X方向勻速移動(dòng)；在掃描曝光過程中，利用探測器探測面積為AX 3d的潛像條紋上的條紋位相變化、條紋間距變化和條紋傾斜變化，對于條紋位相變化，通過第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器在第一、第二光束之間產(chǎn)生的位相差來進(jìn)行補(bǔ)償；對于條紋間距變化，通過調(diào)整第一針孔沿I方向的位置進(jìn)行補(bǔ)償；對于條紋傾斜變化，通過調(diào)整第一針孔在XZ平面內(nèi)垂直第一光束方向的位置進(jìn)行補(bǔ)償，通過上述三種補(bǔ)償，使得面積為AX 3d的潛像條紋在掃描曝光過程中保持不動(dòng)；6)保持步驟5)中面積為AX 3d的潛像條紋鎖定，直到基板左邊緣離開曝光光束的右邊緣，整個(gè)掃描曝光過程結(jié)束；取下基板，顯影得到浮雕光柵。
[0007]所述步驟2)中，面積為AXd的潛像光柵用放置在基板下方或者側(cè)方的參考光柵代替，并將用參考光柵上產(chǎn)生的干涉條紋鎖定代替步驟5)中的用潛像條紋鎖定。
[0008]所述步驟3)中，探測器采用光電倍增管和電子倍增電荷耦合器件中的一種。
[0009]所述步驟4)中，對位于面積為AX3d區(qū)域左側(cè)的面積為AXd的區(qū)域進(jìn)行線性曝光，其具體過程為:在面積為AX3d區(qū)域左側(cè)的面積為AXd的區(qū)域上方遮擋一擋板，擋板將該區(qū)域上方的光束完全遮擋；開始曝光后，將擋板以V = d/t的速度相對于基板沿-X方向勻速拉開，使得面積為AXd的區(qū)域被曝光，且曝光時(shí)間沿X方向呈線性變化，該面積為AXd的區(qū)域右端的曝光時(shí)間為t，左端的曝光時(shí)間為O。
[0010]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明由于首先采用寬度為準(zhǔn)直透鏡口徑1/10?1/5的光束在基板一側(cè)曝光得到一條工藝邊，通過在設(shè)置的雙光束曝光系統(tǒng)中增設(shè)衰減光楔，在工藝邊上形成潛像條紋；其次在設(shè)置的雙光束曝光系統(tǒng)中增設(shè)探測器和聲光調(diào)制器，對探測器探測到的潛像條紋上的變化，通過聲光調(diào)制器進(jìn)行補(bǔ)償，使得潛像條紋保持不動(dòng)；然后，采用曝光光束對工藝邊左側(cè)面積為AX3d的區(qū)域進(jìn)行靜止曝光，對位于面積為AX3d的區(qū)域左側(cè)面積為AXd的區(qū)域進(jìn)行線性曝光，利用衰減光楔使得面積為AX 3d的靜止曝光區(qū)域產(chǎn)生潛像條紋；最后，在對面積為AX 3d的潛像條紋進(jìn)行鎖定的基礎(chǔ)上，對面積為AX3d的區(qū)域左側(cè)的全部區(qū)域進(jìn)行掃描曝光，掃描基板的長度不受準(zhǔn)直透鏡口徑的制約，因此采用本發(fā)明能夠制造出大尺寸全息光柵。2、本發(fā)明由于采用寬度為準(zhǔn)直透鏡口徑1/10?1/5的光束沿光柵矢量對基板進(jìn)行掃描曝光，因此本發(fā)明能夠克服已有曝光拼接方法存在的接縫問題，也不需要與光柵面積相當(dāng)?shù)拇罂趶椒乔蛎骁R。3、本發(fā)明由于通過鎖定潛像光柵干涉條紋或者參考光柵干涉條紋的位相和姿態(tài)，能夠消除影響掃描效果的位相誤差、柵線不平行和光柵周期誤差等，因此本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)光柵位相、柵線方向和光柵周期的鎖定，且鎖定系統(tǒng)簡單、精度較高，而不需要像現(xiàn)有技術(shù)中掃描曝光那樣復(fù)雜的雙頻位相測量與條紋鎖定系統(tǒng)。4、本發(fā)明由于寬光束掃描曝光使得基板上一個(gè)點(diǎn)歷經(jīng)曝光光束上多個(gè)點(diǎn)的照射，一方面通過掃描的平均效果實(shí)現(xiàn)對微觀結(jié)構(gòu)的平滑作用，減小甚至消除曝光光束中的高頻誤差，直接降低雜散光；另一方面掃描過程中基板上沿光柵矢量的各點(diǎn)歷經(jīng)完全相同的曝光過程，可以改善曝光均勻性，降低像差，間接降低雜散光；因此本發(fā)明能夠制作低雜散光的光柵。基于以上優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于大尺寸或低雜散光全息光柵的制作中。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明寬光束掃描曝光方法中的光路示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明寬光束掃描曝光方法中各步驟示意圖；其中，陰影區(qū)域表示用于產(chǎn)生潛像條紋。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0014]本發(fā)明寬光束掃描曝光方法的工作原理為:在鎖定曝光光束相對基板的位相和姿態(tài)的基礎(chǔ)上，用準(zhǔn)直透鏡口徑1/10到1/5寬的光束沿光柵矢量掃描曝光?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要調(diào)整光束寬度，窄光束質(zhì)量好，但需要的曝光時(shí)間長；寬光束質(zhì)量相對差，但需要的曝光時(shí)間短。在曝光過程中，要求干涉場和基板嚴(yán)格地以相同的速度和方向移動(dòng)(整個(gè)干涉場不動(dòng)，但干涉場的位相在做平移)，否則基板表面涂覆的光刻膠里記錄的干涉條紋就會(huì)被抹平。當(dāng)基板依次通過寬光束被曝光，已曝光的部分產(chǎn)生的潛像光柵或者置于基板下方(或者側(cè)方)的參考光柵用于條紋鎖定，可以同時(shí)鎖定位相、柵線方向和光柵周期。在掃描過程中，沿光柵矢量方向的曝光長度是不受限制的，且不會(huì)產(chǎn)生接縫，因此本發(fā)明寬光束掃描曝光方法是一種低成本、快速有效的制作大光柵的方法。同時(shí)，由于寬光束掃描曝光使得基板上一個(gè)點(diǎn)歷經(jīng)曝光光束上多個(gè)點(diǎn)的照射，可以平均掉光束中的高頻誤差，從而減小光柵槽形誤差、粗糙度和柵距誤差，因此本發(fā)明寬光束掃描曝光方法能夠制作低雜散光的光柵。
[0015]本發(fā)明寬光束掃描曝光方法包括以下步驟:
[0016]I)如圖1所不，設(shè)置一雙光束曝光系統(tǒng)，其包括激光器1、分光鏡2、第一反射鏡3、第二反射鏡4、第三反射鏡5、第一顯微物鏡6、第二顯微物鏡7、第一針孔8、第二針孔9、第一準(zhǔn)直透鏡10、第二準(zhǔn)直透鏡11和涂覆光刻膠的基板12，激光器I發(fā)出的光束經(jīng)分光鏡2分成兩束，第一束光經(jīng)第一反射鏡3反射后進(jìn)入第一顯微物鏡6中，經(jīng)第一顯微物鏡6聚焦后進(jìn)入第一針孔8，經(jīng)第一針孔8濾波后進(jìn)入第一準(zhǔn)直透鏡10，經(jīng)第一準(zhǔn)直透鏡10準(zhǔn)直后成為第一平行光束；第二束光依次經(jīng)第二、第三反射鏡4、5反射后進(jìn)入第二顯微物鏡7，經(jīng)第二顯微物鏡7聚焦后進(jìn)入第二針孔9，經(jīng)