位相型朗奇光栅槽深的光学检测方法

摘要

本发明位相型朗奇(Ronchi)光栅槽深的光学检测方法。解决了对于周期远大于其工作波长的位相型朗奇光栅槽深的精确检测。本发明包括：1.利用光谱仪记录工作光源的初始光谱曲线I

说明书

技术领域

本发明涉及光栅结构参数测量技术领域，具体为一种位相型朗奇(Ronchi)光栅槽深的光学检测方法。

背景技术

朗奇光栅是一种大周期，低空间频率的光栅，一般空间周期在2-100μm之间。以朗奇光栅为分束元件的剪切干涉系统可应用于光学系统像质评价，实验力学等领域。

位相型朗奇光栅是制作在光学玻璃等透明介质上的透射光栅，其结构如图1所示。其中光栅材料的折射率为n，光栅周期为d，光栅线条宽度为a，光栅槽宽为b，占宽比为Δ＝a/d，光栅线条的高度或槽深为h。

槽深是位相型朗奇光栅的主要结构参数之一。在占宽比确定的条件下，位相型朗奇光栅的槽深直接关系到其各级衍射效率的分配，选择特殊的槽深，可以抑制或增强其某些级次的衍射效率。因此，位相型朗奇光栅的槽深检测十分重要。

光栅槽深的检测有直接和间接两种测试方式。

在直接方式中，通常利用台阶仪、原子力显微镜、扫描电镜等仪器检测位相型朗奇光栅的槽深。台阶仪受样品表面形状、表面粗糙度等的影响，一般误差在几十个纳米的量级。原子力显微镜的测量精度较高，但是原子力显微镜测槽深的缺点是测量周期长、操作复杂。台阶仪和原子力显微镜的测试很容易受外界环境的影响。扫描电镜法需要制作光栅样品的横断面，对于厚样品很难制作观测样品，而且对光栅样品而言是破坏性的。此外，上述光栅槽深的检测都属于专门的、价格比较昂贵的仪器设备。

根据光栅的衍射特性可以间接地反演光栅的槽形结构，如美国专利【Method and apparatus for measuring the profile of small repeatinglines，Edward W.Cornad，David P.Paul，专利号：US5963329A，1999】，文献【1.Optical measurement of depth and duty cycle for binarydiffraction gratings with subwavelength features，John R.Marciante，Nestor O.Farmiga，Jeffrey I.Hirsh，Michelle S.Evans，and Hieu T.Ta，Applied Optics，2003，42(16)：3234-3240；2.衍射频谱法测光栅膜层厚度，李何立，文学金，曹向群，林斌，光电工程，2004，31(5)：46-48；3.用光栅的+/-1级能量之比测量光栅参量，李建龙，傅克祥，张丽娟，光学学报，2005，25(10)：1324-1328；4.用透射光谱法测光栅参数的数值模拟，张丽娟，傅克祥，李建龙，麻健勇，谢金，激光杂志，2005，26(3)：42-44】等。上述方法反演光栅槽形结构的基本过程是，实验上测量光栅在某一特定波长下的各级衍射光，或者测量光栅对某一宽带光源透射或反射光的光谱曲线；同时，假定光栅槽形参数(槽形、槽深、占宽比)的初值进行衍射效率的模拟计算，结合光栅槽形反演的优化评价函数，不断调整光栅的槽形参数，每改变一次光栅的槽形结构，即数值计算一次相应槽形下的光栅衍射效率曲线，并与衍射效率的实验测量值进行比较，经过多次迭代反演，当光栅衍射效率的数值模拟计算值与实验测量结果的偏差达到设定的精度范围时，数值模拟计算对应的光栅结构参数即为最终反演的光栅结构参数。

上述利用光栅衍射特性反演光栅槽形的方法，一般均需要确切地知道光栅周期，而且需要掌握复杂的光栅效率算法，编写专门的光栅衍射效率程序，进行大量的数值计算。对于周期d与工作波长λ相近，或周期d小于工作波长λ的光栅，上述方法十分必要；但是，对于周期d远大于其工作波长λ(通常为d＞10λ)的透射位相光栅，光栅的槽深在波长的量级，光栅线条的深宽比很小，在占宽比确定的条件下，槽深是决定光栅衍射特性的重要参数，光栅槽深的精确检测十分重要，因此，提供一种更为简单、实用的光栅槽深检测方法十分必要。

发明内容

为了解决对于周期远大于其工作波长的位相型朗奇光栅槽深的精确检测，根据位相型朗奇光栅槽深与其零级光谱透射率存在的特殊关系，本发明提出一种利用位相型朗奇光栅零级光谱透射率判断其槽深的光学检测方法，即位相型朗奇光栅槽深的光学检测方法。

本发明光学检测方法的具体操作步骤如下：

当位相型朗奇光栅的周期d及其工作波长λ满足d＞10λ的情形时，

1、利用光谱仪记录工作光源的初始光谱曲线I_s(λ)；

2、将待测位相型朗奇光栅放置在工作光源和光谱仪之间，工作光源的出射光正入射至位相型朗奇光栅表面；其中，位相型朗奇光栅与工作光源的距离适中，使工作光源的出射光全部照射到光栅表面上；位相型朗奇光栅与光谱仪的距离至少大于50mm，使光谱仪仅接收到光栅的零级透射光；

3、利用光谱仪记录位相型朗奇光栅对工作光源的零级透射光的光谱曲线I_g(λ)；

4、根据公式$\eta \left(\lambda \right)=\frac{I_g\left(\lambda \right)}{I_s\left(\lambda \right)},$计算位相型朗奇光栅的零级光谱透射率。

5、根据光栅零级光谱透射率η(λ)确定位相型朗奇光栅零级光谱透射率极小值η_min对应的波长λ_min；

6、计算位相型朗奇光栅的槽深h，具体如下：

如果位相型朗奇光栅零级光谱透射率的极小值η_min对应的中心波长λ_min，则光栅的槽深h满足(1)式，

$h=\frac{{\lambda }_{\min }}{2(n_{\min }-1)}---\left(1\right)$

其中n_min为光栅基底材料对波长λ_min的折射率。

所述工作光源为卤素光源、或氘灯等类型的宽带连续光源。

所述光谱仪为USB4000、HR4000等类型的光谱仪。

本发明所述检测位相型朗奇光栅槽深的原理是这样的：

在光波标量衍射理论下，当周期d及其工作波长λ满足d》λ(通常取d＞10λ)时，占宽比为Δ，槽深为h的位相型朗奇光栅，其零级透射率η可表示为

$\eta (\lambda ,n,\Delta ,h)={\Delta }^2+{(1-\Delta )}^2+2\Delta (1-\Delta )\cos \left[\frac{2\pi (n-1)h}{\lambda }\right]---\left(2\right)$

对某一占宽比为Δ的位相型朗奇光栅，当$\cos \left[\frac{2\pi (n-1)h}{\lambda }\right]=-1,$即${\lambda }_{\min }=\frac{2(n_{\min }-1)}{(2m+1)}h$(m为非负整数)时，光栅的零级光谱透射率有极小值η_min＝(2Δ-1)²。

由此可以看出，光栅零级光谱透射率的极小值η_min对应的波长λ_min，只与光栅槽形参数中的槽深h有关，而与其占宽比Δ无关，光栅零级光谱透射率极小值的大小仅与其占宽比Δ有关，而与其槽深h无关。

当光栅槽深h满足下式时，即

$h=\frac{(m+1){\lambda }_{\min }}{2(n_{\min }-1)}---\left(3\right)$

位相型朗奇光栅的零级光谱透射率取得极小值。因为在光栅设计制作中，一般选择可达到设计要求的最小槽深，所以取m＝0，即

$h=\frac{{\lambda }_{\min }}{2(n_{\min }-1)}---\left(4\right)$

如果利用光谱仪测得位相型朗奇光栅的零级光谱透射率的极小值对应的波长为λ_min，由λ_min得到相应的n_min，即可根据(4)式求得位相型朗奇光栅的槽深h。

本发明的有益技术效果是：

本发明所述的位相型朗奇光栅槽深的光学检测方法，检测原理简单可靠，所需设备少，检测成本较低，而且能够快速、灵敏地实现朗奇光栅槽深的无损检测。

与直接法相比，本发明方法可快速地给出光斑照射区域内，位相型朗奇光栅槽深的平均值，对于评价待测光栅的整体衍射特性更具客观性和实际价值。

此方法不但可用于位相型朗奇光栅槽深的离线检测，也可以用于离子束刻蚀过程中透射衍射光学元件刻蚀深度的在线检测。

附图说明

图1为位相型朗奇光栅的结构示意图，

图2为检测位相型朗奇光栅槽深的实验系统示意图，

图3为位相型朗奇光栅I槽深的相关测试曲线，

图4为位相型朗奇光栅II槽深的相关测试曲线。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

检测位相型朗奇光栅槽深的实验系统如图2所示。其中1为工作光源，2为待测位相型朗奇光栅，3为光谱仪，4为计算机。其中的工作光源为美国海洋公司LS-1-LL型卤素光源，光谱仪是美国海洋公司USB4000型光谱仪。测试中，卤素光源的出射光正入射至位相型朗奇光栅，光栅零级透射光经光纤馈入光谱仪，并最终经计算机输出。

实施例1：

位相型朗奇光栅的周期d为25μm，工作波长λ为740nm，满足d＞10λ的情形，位相型朗奇光栅I槽深的测试操作步骤如下：

1、利用光谱仪记录卤素光源的初始光谱曲线I_s(λ)，如图3中的实线所示；

2、将待测位相型朗奇光栅2放置在卤素光源1和光谱仪3之间，卤素光源的出射光正入射至位相型朗奇光栅表面，位相型朗奇光栅与光谱仪的距离为50mm；

3、利用光谱仪记录位相型朗奇光栅对卤素光源的零级透射光的光谱曲线I_g(λ)，如图3中的虚线所示；

4、根据公式$\eta \left(\lambda \right)=\frac{I_g\left(\lambda \right)}{I_s\left(\lambda \right)},$计算位相型朗奇光栅的零级光谱透射率，如图3中的点划线所示；

5、由光栅零级光谱透射率η(λ)确定位相型朗奇光栅η_min对应的波长λ_min＝674nm，石英在674nm的折射率n_min＝1.456；

6、根据光栅的槽深$h=\frac{{\lambda }_{\min }}{2(n_{\min }-1)},$计算得到h＝739nm。

利用美国Tencor Alphastep 500型台阶仪直接测量了此光栅的槽深为755nm，两者相差2％左右。本发明所述检测结果与常规台阶仪的检测结果十分接近，表明了本方法的检测结果是可信的。

实施例2：

位相型朗奇光栅的周期d为25μm，工作波长λ为770nm，满足d＞10λ的情形，位相型朗奇光栅I槽深的测试操作步骤如下：

步骤1-4同实施例1，位相型朗奇光栅与光谱仪的距离为50mm；

得到位相型朗奇光栅II的零级光谱透射率，如图4所示。由图4可知，光栅II的η_min对应的波长λ_min＝700nm，石英在700nm的折射率n_min＝1.456，由公式$h=\frac{{\lambda }_{\min }}{2(n_{\min }-1)},$计算得到光栅II的槽深h＝767nm。

利用美国Tencor Alphastep 500型台阶仪直接测量了此光栅的槽深为776nm，两者相差1％左右。本发明所述检测结果与常规台阶仪的检测结果十分接近，表明了本方法的检测结果是可信的。

实施例3：

此方法也可以使用氘灯等其它宽带连续光源作为工作光源，相应地使用与其工作波段相匹配的光谱仪，如HR4000光谱仪等。