消像差变栅距光栅扫描光刻条纹线密度设计方法技术

消像差变栅距光栅扫描光刻条纹线密度设计方法，涉及全息光栅制作的技术领域，本发明专利技术提出消像差变栅距光栅扫描光刻的干涉条纹线密度设计方法，利用该方法可根据变栅距光栅刻槽密度目标函数，完成扫描光刻过程中干涉条纹线密度函数的设计，按此干涉条纹线密度设计函数，变化干涉条纹的线密度，最终得到的变周期光栅刻槽密度满足光栅刻槽密度目标函数的要求。按照本方法可设计光刻干涉条纹的线密度变化规律。提高变栅距光栅的刻槽密度的精度，保证曝光对比度工艺参数的可控性，对提升变栅距光栅扫描光刻制作水平，提高光栅制作成功率具有重要意义。有重要意义。有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
消像差变栅距光栅扫描光刻条纹线密度设计方法


[0001]本专利技术涉及全息光栅制作的
，具体涉及一种消像差变栅距光栅扫 描光刻的干涉条纹线密度的设计方法。

技术介绍

[0002]消像差变栅距光栅是指光栅刻槽密度按照一定规律变化的平面光栅，通过 光栅刻槽密度的变化校正离焦、球差等光学像差。与曲面光栅相比，光栅基底 为平面，降低了基底的加工难度。入射到变栅距光栅的子午光线可以自形成谱 线，光谱仪器中无需额外的准直及聚焦光学元件，减小了仪器的体积重量，提 高了光能利用率，具有较高激光损伤阈值，在同步辐射光源装置、高能激光装 置等领域具有重要应用。
[0003]变栅距光栅的制作方式通常采用机械刻划、电子束直写、激光直写、全息 曝光等方式制作。机械刻划、电子束及激光直写等制作方式属于超精密加工， 逐线完成光栅刻槽的加工，制作效率低，且由于变栅距光栅相邻栅距的变化一 般不超过纳米量级，对相应的超精密加工设备及加工条件要求很高，制作难度 和成本高。传统全息曝光方式制作变栅距光栅，可采用球面波或非球面波曝光 系统，但球面波曝光系统可调整的自由度较少，且存在刻槽弯曲的问题，会导 致光栅的分辨能力下降。非球面波曝光系统设计、加工及调试难度大，工艺上 不易实现，往往导致实际的光栅刻槽密度与期望值存在较大误差。
[0004]变周期扫描光刻是制作变栅距光栅的另一种重要方法，干涉光学系统形成 小口径(微米～毫米量级)的干涉图样，由二维工作台承载光栅基底进行步进扫描 运动，使干涉图样与光栅基底之间产生相对运动，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。为实现变栅距光栅 的制作，在曝光过程中，需要根据用于光刻的干涉条纹线密度变化函数，通过 精密光电控制改变相干光束的干涉夹角，不断精密调整干涉条纹线密度，使制 作的光栅刻槽密度满足设计指标要求。这种制作方式所制作的变栅距光栅不存 在刻槽弯曲的问题，干涉图样中存在数百条干涉条纹，大大提高了制作效率， 在进行大面积光栅制作时，无需大口径的光学系统。
[0005]但若令干涉条纹线密度变化函数等于变栅距光栅的目标刻槽密度函数，进 行干涉条纹线密度的调整，制作得到的变栅距光栅刻槽密度与设计值存在较大 偏差。这主要是由于以下两点原因，变周期扫描光刻系统在改变干涉条纹的线 密度时，干涉图样中全部干涉条纹的线密度发生相同的变化，无法实现干涉条 纹逐条线距的精密调整。且干涉图样的强度分布为高斯分布，为了保证曝光量 的均匀性，相邻扫描段的干涉图样之间存在一定的重叠，对制作出的光栅的刻 槽分布具有均化效应。
[0006]建立干涉条纹线密度的设计方法，是变周期扫描光刻技术应用的关键问题。 本专利技术提出一种用于消像差变栅距光栅扫描光刻的干涉条纹线密度设计方法， 按照此方法设计的干涉条纹线密度变化函数，改变光刻过程中干涉条纹的线密 度，可使最终得到变栅距光栅刻槽密度满足设计指标要求。

技术实现思路

[0007]本专利技术提出消像差变栅距光栅扫描光刻的干涉条纹线密度设计方法，利用 该方法可根据变栅距光栅刻槽密度目标函数，完成扫描光刻过程中干涉条纹线 密度函数的设计，按此干涉条纹线密度设计函数，变化干涉条纹的线密度，最 终得到的变周期光栅刻槽密度满足光栅刻槽密度目标函数的要求。
[0008]消像差变栅距光栅扫描光刻条纹线密度设计方法，该方法由以下步骤实现：
[0009]步骤一、确定变栅距光栅的刻线密度函数及通用光刻过程制作参数；
[0010]步骤一一、根据变栅距光栅的消像差特性及其在仪器中的应用需求，设计 变栅距光栅刻槽密度目标函数g(x)为：
[0011]g(x)＝n
g0
+n
g1
(x
‑
W
g
/2)+n
g2
(x
‑
W
g
/2)2+n
g3
(x
‑
W
g
/2)3[0012]光栅的理想相位分布Φ
g
(x)表示为：
[0013]Φ
g
(x)＝2πg(x)
·
x
[0014]式中，x为光栅矢量方向的坐标，x＝0位于光栅边界处，W
g
为光栅矢量方 向的总宽度，n
g0
为光栅中心处的刻槽密度，n
g1
为光栅刻槽密度的一次项系数， n
g2
为光栅刻槽密度的二次项系数，n
g3
为光栅刻槽密度的三次项系数；所述n
g0
、 n
g1
、n
g2
和n
g3
根据变栅距光栅像差校正原理及光谱仪器或激光装置的使用参数 确定；
[0015]步骤一二、根据变周期扫描光刻系统的设计、装调参数及步骤一一获得的 变栅距光栅刻槽密度目标函数，确定在进行该变周期光栅制作时的以下制作参 数：
[0016]设定干涉图样高斯束腰半径为R
ho
，相邻扫描段的干涉图样重叠宽度占所述 束腰半径R
ho
的比例StepRatio，则干涉图样重叠宽度为StepRatio
×
R
ho
；
[0017]设定步进扫描的总步数为N，所述N≥W
g
/(R
ho
·
StepRatio)+1，使曝光区域的宽 度大于光栅的有效宽度；
[0018]所述步进扫描每一步的步数为N
steps
，N
steps
＝round(R
ho
·
StepRatio
·
n
g0
)；round() 为四舍五入取整数函数；
[0019]步骤二、根据变周期扫描光刻总曝光量计算方法，计算干涉条纹线密度变 化函数f(x)等于变栅距光栅刻槽密度函数g(x)时的光栅相位分布误差Φ
e
(x)；
[0020]所述变周期扫描光刻总曝光量的计算方法为：
[0021]设定干涉条纹线密度变化函数f(x)与变栅距光栅刻槽密度目标函数g(x)具 有相同的形式，表示为：
[0022]f(x)＝m0+m1(x
‑
W
g
/2)+m2(x
‑
W
g
/2)2+m3(x
‑
W
g
/2)3[0023]式中，m0为干涉条纹线密度变化函数的常数项系数，m1为干涉条纹线密度 变化函数的一次项系数，m2为干涉条纹线密度变化函数的二次项系数，m3为干 涉条纹线密度变化函数的三次项系数；扫描光刻起始扫描段从x＝0时开始，x＝0 时对应的步进个数k＝0，起始扫描为第1次扫描，其对应的曝光量为D0(x)，S
k
为第k步的步进距离；
[0024]S0＝0，为从第0步至第k步的总距离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.消像差变栅距光栅扫描光刻条纹线密度设计方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：步骤一、确定变栅距光栅的刻线密度函数及通用光刻过程制作参数；步骤一一、根据变栅距光栅的消像差特性及其在仪器中的应用需求，设计变栅距光栅刻槽密度目标函数g(x)为：g(x)＝n
g0
+n
g1
(x
‑
W
g
/2)+n
g2
(x
‑
W
g
/2)2+n
g3
(x
‑
W
g
/2)3光栅的理想相位分布Φ
g
(x)表示为：Φ
g
(x)＝2πg(x)
·
x式中，x为光栅矢量方向的坐标，x＝0位于光栅边界处，W
g
为光栅矢量方向的总宽度，n
g0
为光栅中心处的刻槽密度，n
g1
为光栅刻槽密度的一次项系数，n
g2
为光栅刻槽密度的二次项系数，n
g3
为光栅刻槽密度的三次项系数；所述n
g0
、n
g1
、n
g2
和n
g3
根据变栅距光栅像差校正原理及光谱仪器或激光装置的使用参数确定；步骤一二、根据变周期扫描光刻系统的设计、装调参数及步骤一一获得的变栅距光栅刻槽密度目标函数，确定在进行该变栅距光栅制作时的以下制作参数：设定干涉图样高斯束腰半径为R
ho
，相邻扫描段的干涉图样重叠宽度占所述束腰半径R
ho
的比例StepRatio，则干涉图样重叠宽度为StepRatio
×
R
ho
；设定步进扫描的总步数为N，所述N≥W
g
/(R
ho
·
StepRatio)+1，使曝光区域的宽度大于光栅的有效宽度；所述步进扫描每一步的步数为N
steps
，N
steps
＝round(R
ho
·
StepRatio
·
n
g0
)；round()为四舍五入取整数函数；步骤二、根据变周期扫描光刻总曝光量计算方法，计算干涉条纹线密度变化函数f(x)等于变栅距光栅刻槽密度函数g(x)时的光栅相位分布误差Φ
e
(x)；所述变周期扫描光刻总曝光量的计算方法为：设定干涉条纹线密度变化函数f(x)与变栅距光栅刻槽密度目标函数g(x)具有相同的形式，表示为：f(x)＝m0+m1(x
‑
W
g
/2)+m2(x
‑
W
g
/2)2+m3(x
‑
W
g
/2)3式中，m0为干涉条纹线密度变化函数的常数项系数，m1为干涉条纹线密度变化函数的一次项系数，m2为干涉条纹线密度变化函数的二次项系数，m3为干涉条纹线密度变化函数的三次项系数；扫描光刻起始扫描段从x＝0时开始，x＝0时对应的步进个数k＝0，起始扫描为第1次扫描，其对应的曝光量为D0(x)，S
k
为第k步的步进距离；S0＝0，为从第0步至第k步的总距离，为k步步进后，第k+1次扫描的干涉条纹线密度，Δ
k
＝f
k
‑
f
k
‑1为k+1次扫描与k次扫描干涉条纹线密度的差值，当k＝0时，Δ0＝0，当k>0时,第k步步进后，第k+1次扫描的曝光量D
k
(x)及第k+1次扫描与初始扫描的相位差为：
式中，B(x)为单次扫描曝光量的背景分量，A(x)为单次扫描曝光量中高斯分布的曝光量强度包络；光刻结束时，光栅上的总曝光量为步进扫描总步数N步后N+1次扫描曝光量的叠加D
tot
(x)，即：D
tot
(x)＝D0(x)+D1(x)+
…
D
N
(x)＝B
tot
(x)+A
tot
(x)sin(Ψ
tot
(x))式中，B
tot
(x)为总曝光量的背景分量，A
tot
(x)为总曝光量交流分量幅值；(x)为总曝光量交流分量幅值；(x)为总曝光量交流分量幅值；(x)为总曝光量交流分量幅值；Ψ
tot
(x)＝2πxf0+Ψ(x)Ψ(x)＝arctan[F(x)/E(x)]式中，Ψ
tot
(x)为总曝光量的相位变化量，Ψ(x)为总曝光量与第1次扫描之间的相位增量，Ψ
tot
(x)等于所制作的变栅距光栅的实际相位分布；γ(x)＝A
tot
(x)/B
tot
(x)为总曝光对比度；设定f(x)＝g(x)，即m0＝n
g0
，m1＝n
g1
，m2＝n
g2
，m3＝n
g3
，利用上述变周期扫描光刻总曝光量计算方法，计算曝光量相位变化量Ψ
tot
(x)，所制作的变栅距光栅的实际相位分布与光栅的理想相位分布之间的光栅相位分布误差为Φ
e
(x)＝Ψ
tot
(x)
‑
Φ
g
(x)；步骤三、通过数据拟合与迭代寻优方法设计干涉条纹线密度变化函数的三次项系数m3的优化设计值m
3_optimal
；步骤四、通过数据拟合与迭代寻优方法设计干涉条纹线密度变化函数的二次项系数m2的优化设计值m
2_optimal
；步骤五、通过数据拟合与迭代寻优方法设计干涉条纹线密度变化函数的一次项系数m1的优化设计值m
1_optimal
；步骤六、设计干涉条纹线密度变化函数的常数项系数m0的优化设计值m
0_optimal
；步骤七、根据步骤三至步骤六优化的m
3_optimal
、m
2_optimal
、m
1_optimal
和m
0_optimal
，核对曝光
对比度是否满足曝光工艺需求；优化设计后的干涉条纹线密度变化函数：f
optimal
(x)＝m
0_optimal
+m
1_optimal
(x
‑
W
g
/2)+m
2_optimal
(x
‑
W
g
/2)2+m
3_optimal
(x
‑
W
g
/2)3；按照步骤二给出的变周期扫描光刻总曝光量计算方法，计算得到曝光对比度γ(x)，判断在整个x范围内，曝光对比度γ(x)是否满足曝光对比度要求，如果否，则减小步骤一二中的干涉图样重叠宽度占束腰半径的比例StepRatio，重新执行步骤二至七，直至γ(x)满足曝光对比度要求；如果是，则整个优化过程结束，按照优化设计后的干涉条纹线密度变化函数f
optimal
(x)改变光刻过程中干涉条纹的线密度，获得目标刻槽密度的变栅距光栅。2.根据权利要求1所述的消像差变栅距光栅扫描光刻条纹线密度设计方法，其特征在于：B(x)的变化不影响干涉条纹线密度的设计，设定B(x)＝A(x)，单次扫描曝光的对比度为1。3.根据权利要求1所述的变栅距光栅扫描光刻条纹线密度设计方法，其特征在于：第k步的步进距离S
k
选用以下三种步进方式中的一种，获得不同的干涉条纹设计值，均满足变栅距光栅刻槽密度的精度要求：一、S
k
＝N
steps
/f
k
‑1；二、S
k
＝2N
steps
/(f
k
+f
k
‑1)，三、S
k
＝N
steps
/f
k
，4.根据权利要求1所述的消像差变栅距光栅扫描光刻条纹线密度设计方法，其特征在于：步骤三的具体过程为：采用多项式曲线拟合算法，对步骤二得到的相位分布误差Φ
e
(x)进行四次多项式曲线拟合，Φ
e
(x)的拟合多项式为Φ
ep
(x)＝2π(a
40
x4+a
30
x3+a
20
x2+a
10
x+a
00
)，a
40
、a
30
、a
20
、a
10
和a
00
分别为四次拟合多项式Φ
ep
(x)的系数；设定干涉条纹线密度变化函数f(x)的系数m3优化设计的四次项相位误差阈值ξ
4order
，通过一维搜索迭代寻优的方法，计算得到m
3_optimal
，迭代过程如下；步骤三一、设定迭代寻优的搜索范围[a
m3(0)
,b
m3(0)
]，a
m3(0)
＝m
3_nearby
‑
H
m3
，b
m3(0)
＝m
3_nearby
+H
m3
，2H
m3
为m3最优值初始搜索范围的宽度，迭代次数i
m3
＝0，m
3_nearby
为最优解m
3_optimal
的初始近似值，m
3_nearby
＝n
g32
/(n
g3
+a
40
)，初始四次项相位误差最大值为Φ
e_4order_m3(0)
＝abs(2πa
40
W
g4
)；步骤三二、若不满足阈值要求，执行步骤三三至三七，否则，退出循环，执行步骤三八；步骤三三、采用一维搜索方法(如黄金分割法、斐波那契法、等分法等方法)，在内确定寻优变量和和和步骤三四、根据寻优变量值设定干涉条纹的线密度变化函数根据步骤二给出的变
周期扫描光刻总曝光量计算方法，计算得到周期扫描光刻总曝光量计算方法，计算得到对应的相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋莹，张刘，刘玉娟，朱杨，章家保，王文华，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：