[发明专利]光栅离子束刻蚀的光学在线检测装置及检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及衍射光学、微细制作等科学领域，具体涉及一种研制衍射光栅的扫描离子束刻蚀的在线光学扫描检测装置与方法。

背景技术

离子束刻蚀技术在衍射光栅、二元光学元件、微结构制作等方面发挥了重要作用。目前很多离子束刻蚀工艺还是通过刻蚀时间来控制材料的刻蚀深度，这样控制刻蚀时间的前提是材料的刻蚀速率在不同的刻蚀实验中接近常数。但是，由于材料的离子束刻蚀过程复杂，很多不确定因素都会影响材料的刻蚀特性，使得实际的刻蚀速率不稳定。如果只是简单地由刻蚀时间来控制刻蚀深度，不可能根据实际刻蚀条件的变化动态、实时地调整刻蚀时间来控制刻蚀深度。而对于衍射光栅而言，纳米量级的刻蚀深度误差有可能严重地影响元件的衍射特性。因此，衍射光栅离子束刻蚀过程的在线、实时监测十分必要。

衍射光栅的离子束刻蚀过程中，随着刻蚀时间的增加，光栅的刻蚀深度增加，相应光栅的衍射效率(衍射光强度)也随之改变。已公开文献中的监测方法一般是通过监测光栅上某一确定位置衍射强度随刻蚀时间增加而产生的变化确定光栅离子束刻蚀截止时间。例如2005年中国光学快报3(2)期pp.63-65所报道的“多层介质膜光栅离子束刻蚀的实时终点监测”(In-Situ end-point detection during ion-beam etching ofmultilayer dielectric gratings，Hua Lin，Lifeng Li and Lijiang Zeng，Chin.Opt.Lett.2005，3(2)，pp.63-65)文献等。这种监测方法可行的前提是监测点光栅衍射效率(衍射光强度)的变化趋势和幅度与其它区域光栅衍射效率(衍射光强度)的变化趋势和幅度完全同步、一致。

事实上，以全息-离子束刻蚀光栅为例，由于光刻胶厚度的均匀性、全息曝光均匀性等因素，使得离子束刻蚀所用掩模-初始光刻胶光栅的槽形在光栅上不完全一致，导致光栅面积上不同位置的初始光刻胶光栅的衍射效率不同，离子束刻蚀过程中，不同位置的光栅衍射效率随时间的变化趋势和幅度也不相同。因此，上述方法只能通过实时监测光栅某一固定位置上衍射强度随刻蚀时间变化的特征点来确定最佳刻蚀终点，由此确定的最佳刻蚀终点，只对应光栅衍射强度监测点处的最佳刻蚀终点。由于未考虑光栅衍射强度的空间分布在刻蚀过程中的变化，对光栅整体而言，往往不是最佳的离子束刻蚀终点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种采用扫描离子束刻蚀与光学在线检测装置及扫描检测方法，通过在线检测光栅衍射强度一维空间分布随刻蚀时间的变化，解决精确控制光栅刻蚀时间终点的问题。

本发明的技术解决方案如下：

本发明所述光栅离子束刻蚀的光学在线检测装置，包括放置待刻蚀光栅的离子束刻蚀工作台，该工作台能在+x和-x方向移动，它的法线与刻蚀机窗口的法线平行，其特征在于，该装置还包括一光学平面反射镜、激光器、光电探测器、数字电压表和计算机数据采集系统，其中，光学平面反射镜置于离子束刻蚀系统的真空室内，并由一可转动支架支撑，使其镜面与离子束刻蚀工作台的工作平面的夹角能在0□90°内调节，从该反射镜中心到工作台的距离与到刻蚀机窗口的距离相近或相等；所述激光器、光电探测器、数字电压表和计算机数据采集系统置于离子束刻蚀系统的真空室外，其中激光器和光电探测器在刻蚀机窗口近处，并且激光器所在位置，能保证激光入射光束经反射镜后，以待刻蚀光栅的自准直角附近入射到待刻蚀光栅表面，再经待刻蚀光栅衍射沿着与入射光的反方向原路返回到反射镜，并通过刻蚀机窗口，被置于该衍射方向上的光电探测器接收，以采集待刻蚀光栅不同位置上的一维衍射强度分布信息；光电探测器靠近激光器，置于衍射光与入射光偏离角度在0□5°的范围内，以保证探测器光敏面可接收到全部衍射光，光电探测器将接收到的光信号，经光电转换、放大后由光电探测器的两个输出端连接至数字电压表的两输入端，该数字电压表再将此模拟信号进行模数转换后输入到计算机数据采集系统中，进行输出显示和存储；所述激光器的波长与待刻蚀光栅的工作波长相同或相近。

本发明所述光栅离子束刻蚀的光学在线检测方法，使用上述光栅离子束刻蚀的光学在线检测装置，其特征在于，检测步骤为：

1.首先根据待刻蚀光栅的工作波长选择合适的激光器，然后调整待刻蚀光栅在线检测光路，使光电探测器上能直接得到待刻蚀光栅的衍射强度信息：