光栅测量 实验室的研究方向主要包括光栅理论,光栅的制作、检测和应用。

光栅的设计和制作主要涉及:

超深光滑光栅数值方法

课题背景及意义:

超深光栅有许多用途,比如在光学应用方面,可使用深刻蚀的正弦光栅进行偏振分光,在半导体工业领域,超深光滑光栅结构也常常出现。图1是IBM最新开发的7纳米芯片工艺(FinFETs)中出现的周期性结构,其底部刻槽可视为超深光滑光栅。而另一方面,许多快速的光滑光栅模拟方法如坐标变换方法(C方法)、瑞利傅立叶方法、积分法等在光栅深度增加时常常出现数值发散困难,如能在保持算法高效的情况下克服发散困难显然对设计反演大有裨益。

课题目标:

改造一类重要的数值模拟方法——C方法,使其数值截断不再受光栅槽深的限制。

研究方法:

使用基于折线函数的参数化方法,在适当的区域引入间断,可有效降低问题的病态性。如图2,槽型的曲率峰值附近常常是引入间断的关键位置。

研究成果:

改进的C方法能够处理深度为周期10倍的光滑光栅,同时保持C方法的初始收敛快,计算精度高的优点,并已将这类参数化方法部分推广到兼具光滑与不光滑面型的多层膜光栅上,从而大大增加了C方法的应用范围。

IBM的7nm制程节点:鳍状场效应晶体管位于线宽为30nm的刻槽(TEM成像)

光栅机械拼接技术

课题背景及意义:

目前在天文物理学以及高能脉冲激光等研究领域对大口径平面衍射光栅都出现迫切需求。前者需要配合10余米口径望远镜的光谱仪光栅,后者利用啁啾脉冲放大(CPA)原理产生拍瓦量级的激光脉冲,需要米量级的脉冲压缩光栅,最重要的应用领域是惯性约束核聚变(ICF),可能辅助解决日益严重的能源危机。制作米量级或更大的光栅对目前的光栅制作工艺提出严峻的挑战,存在基板加工及各道工序的均匀性难点问题,因此世界许多国家科研机构都考虑另辟蹊径,采用小口径(<400mm)光栅机械拼接解决直接制作工艺难点和价格昂贵等问题。

研究内容:

光栅机械拼接的主要工作是分离和消除子光栅之间三个角度误差及两个位置误差。我们对两块子光栅衍射光束的瑞利干涉远场光斑进行图像分析,提取子光栅间的拼接误差;利用角度分辨率为数微弧度、位置分辨率为数纳米的驱动装置调节光栅姿态,实现对准精度分别为6μrad、14nm以下的机械拼接。

另一方面,我们利用傅立叶分析与光线追迹结合的方法,理论分析使用拼接光栅时,拼接误差、光栅物理接缝等因素对CPA系统输出的影响,进而提出机械拼接的误差容限,分析误差补偿的可行性,指导光栅拼接实验。

一维光栅拼接

课题背景及意义:

大尺寸衍射光栅是目前高功率激光系统的啁啾脉冲压缩器(CPA)的关键元件,在惯性约束核聚变(ICF)中尤其重要。制造单块大光栅的全息曝光系统中获得大口径准直且良好波面的曝光光束是制约因素。本研究是在现有中小口径曝光系统的前提下,通过对基板的不同位置依次曝光,来获得很小波面误差的单块大光栅掩膜,即曝光拼接。

关键技术:

要解决的关键问题是基板的精确定位,保证所制作的光栅栅线的位相和姿态精度。

研究成果

我们利用双光束干涉仪和曝光后形成的潜像条纹实现高精度地分别调整姿态和位相。该方法的主要优点是在调整系统中利用潜像条纹和曝光光束实现原位监测,消除了调整系统和曝光系统之间的相对漂移。我们进行了初步实验并得到了高质量的拼接光栅:拼接区域面积为50×80 mm2−1级自准直衍射波面的峰谷值和均方根值分别为0.036 l0.006 l

二维光栅拼接

课题背景及意义:

二维平面移动台由于其具有速度快和阿贝误差小的特点,在超精密制造中日趋普及。与之对应的基于二维光栅尺的位移测量技术也成为研究热点。为了提高二维光栅尺的测量范围和测量精度,需要制作大尺寸、小周期的二维光栅。制作大尺寸二维光栅,可以借鉴大尺寸一维平面光栅的制作工艺。全息曝光拼接是一个可行的途径。本课题主要研究大尺寸二维光栅的全息拼接技术,即在一块大基板上,用分块全息曝光的方法,获得波面良好的大尺寸二维光栅。

课题目标:

用曝光拼接的方法制作大尺寸二维全息光栅,着重解决二维光栅的栅线排布精度问题:

1、保证两次曝光的光栅间距为光栅周期的整数倍且接缝尽可能小;

2、保证两次曝光的光栅栅线平行且周期相等;

3、保证二维光栅的栅线垂直度和周期一致性。

 拟采用方法:

1、采用Lloyd镜曝光系统,精确调整两个维度的光路尽可能一致,以保证二维光栅的栅线垂直度和周期一致性;

2、利用潜像光栅形成的潜像干涉条纹,实时监测和调整基板的位置和姿态,以保证二维光栅的拼接精度。

宽光束扫描曝光方法

课题背景及意义:

评价光栅的技术指标主要包括衍射效率、衍射波面和杂散光。光栅杂散光水平因为涉及因素很多,研究进展缓慢。目前随着高端光谱仪对检出限要求的不断提高,特别是对微弱极紫外光谱探测需求的增加,低杂散光光栅的研究备受关注。另一方面,低杂散光光栅的制作涉及很多保密的工艺细节,公开报道的文献不多。因此,为改善我国高端光谱仪的检出限,提高光谱测量精度,研究低杂散光光栅的制作技术很有意义。

关键技术:

在原位锁定曝光光束相对基板的位相和姿态的基础上,通过宽光束沿光栅矢量或者栅线扫描曝光,使得基板上一点历经曝光光束上多点的照射,从而可通过平均消除掉曝光干涉场的高频误差,降低光栅的杂散光。要解决的关键问题是扫描过程中的相位锁定。

研究成果:

我们成功地制作出了面积为40mm×40mm的扫描光栅,其表面粗糙度、栅线笔直度较普通曝光方法制作出的光栅均有明显提高,而对其杂散光的测试结果也表明这是一种有效的制作低杂散光光栅的方法。

扫描曝光系统原理图

扫描电镜下的栅线对比,(a)(c)为扫描光栅,(b)(d)为单次曝光光栅。

低倍显微镜下的光栅形貌和-2级衍射光斑形貌。(a)(c)为扫描光栅,(b)(d)为单次曝光光栅。

 

大尺寸平面光栅的衍射波面优化

课题背景及意义:

目前大尺寸的平面光栅普遍应用于激光脉冲压缩和二维光栅尺位移测量中,在这些应用背景中,大尺寸平面光栅的衍射波面质量,是关于光栅的重要技术指标,对脉冲压缩的质量和光栅尺的测量精度有着重要影响。在制作全息光栅用的传统双光束曝光系统中,通常使用准直透镜,获得宽口径的准直光,对涂布光刻胶的基板进行曝光。准直透镜出射波面的质量,直接决定了曝光光栅的栅线误差,以及光栅的衍射波面质量。使用大尺寸的非球面镜搭建双光束曝光系统,可以同时提高光栅制作的尺寸和衍射波面质量,但是加工高质量的大尺寸非球面镜的成本非常高的。扫描拼接曝光技术,也可以在提高光栅尺寸的同时,保证光栅的衍射波面误差具有较高的精度,但是缺点同样是系统成本高,难以复现。本课题针对使用传统球面镜的双光束曝光系统,研究对其进行精确调节的方法,利用球面镜准直光束的对称性,获得具有高质量衍射波面的大尺寸平面光栅。

关键技术:

本课题涉及的双光束曝光系统使用双凸球面镜作为准直元件,由于光路的调节误差和准直镜本身的像差,准直镜后的光束通常和平面波有较大偏差,导致曝光得到的光栅也有较大的衍射波面像差。使用斐索干涉仪可以测量光栅的衍射波面像差,进而得到光栅栅线的制作误差,利用泽尼克多项式可对光栅栅线误差进行波面分析,通过理论计算和实验验证,可以发现泽尼克多项式的离焦和彗差项系数,和曝光光路的调节误差大小有很好的线性关系,通过理论计算也可以证明,当曝光系统的相对调节误差被消除时,可以获得极小的栅线误差。因此本课题设计的光路调节方法,使用泽尼克多项式对光栅的栅线误差进行分析,估算出曝光系统的调节误差大小,并对其进行反馈调节,从而实现光栅衍射波面的优化。

研究成果:

本课题使用180mm口径的球面镜进行曝光,可以获得100mm×100mm的平面光栅,使用课题设计的调节方法,通过反馈调节可以将光栅的栅线误差优化到0.03l左右,光栅栅线误差的测量结果如图所示。

双光束曝光系统

光栅栅线误差结果

脉冲压缩用宽带光栅研制

课题背景及意义:

啁啾脉冲放大(CPA)技术是获得高能激光的有效手段之一,脉冲压缩光栅是构成CPA系统的核心器件。为获得稳定可靠的高能激光输出,对脉冲压缩光栅提出如下要求:(1)高衍射效率;(2)高损伤阈值;(3)宽的光谱带宽。

镀金光栅最早被用于CPA激光系统,优化设计的镀金光栅效率大于90%的平坦光谱带宽能够达到200nm。镀金光栅的损伤阈值远低于CPA系统中激光放大系统的安全阈值,镀金光栅成为提高CPA高能激光系统性能的主要瓶颈。为了提高光栅的损伤阈值,提出了多层介质膜结构光栅代替镀金光栅的方案,多层介质膜光栅的损伤阈值比传统镀金光栅更高,但光谱带宽一般不超过100 nm,不利于获得超短激光脉冲。为了结合镀金光栅和多层介质膜光栅的优点,本课题研制两种脉冲压缩光栅,包括(1)金属-介质膜光栅(MMDG)和(2)后镀膜光栅。

课题目标:

本课题由中国科学技术大学、清华大学、中科院上海光机所、苏州大学等单位联合承担。

1.       MMDG光栅

上海光机所设计了金-介质膜结构的宽带光栅基底膜系。我们的工作是在上光所提供的膜系上,结合MMDG光栅离子束刻蚀过程中槽形的演化规律,以及光刻胶与不同膜系材料的刻蚀速率,建立刻蚀模型。确定离子束刻蚀终点的判定特征,对MMDG光栅刻蚀过程进行监测,保证刻蚀监测对槽深的控制具有较高的可靠性与重复性。建立稳定、可移植的MMDG光栅制作工艺路线,并制作出效率高于90%的带宽不小于90nm的MMDG光栅。

2.       后镀膜光栅

后镀膜光栅研制的研究目标包括:(1)建立光栅基底离子束刻蚀模型。(2)探索光栅基底镀膜时膜层轮廓的演变规律,建立轮廓演变模型,并在实验上确定其适用范围。(2)设计并尝试制作衍射效率大于90%的带宽不小于90nm的后镀膜光栅,通过实际尝试,证明它是否为一条可行的获得高衍射效率脉冲压缩光栅的途径。

研究成果:

1. MMDG光栅研制过程中建立了全息光栅离子束刻蚀模型,对刻蚀过程进行模拟,为刻蚀参数的优化及设计合理的离子束刻蚀方案提供一种有效手段。

2. 建立MMDG光栅离子束刻蚀终点在线监测方法。

3. 制作出满足技术指标要求的MMDG光栅(图1,图2)。

4. 建立基于线段运动算法的光栅基底离子束刻蚀模型,并用于指导三角形光栅基底的制作,提供了稳定、可移植的光栅基底制作工艺路线。

5. 提出一种描述后镀膜光栅槽形演化的简单模型,并在实验上初步验证了其适用的范围。(图3,图4分别是后镀膜光栅的外观与扫描电镜图像)

图1. MMDG光栅

 

图2. MMDG光栅效率实测曲线

图3. 后镀膜光栅

 

图4. 后镀膜光栅电镜图像

激光合束光栅的制作

课题背景及意义:

激光合束是获得高功率激光输出并保持光束质量的有效方法,其中光谱合束激光系统因结构简单而广泛应用于对激光相干性要求不高的场合。光谱合束系统的耦合效率主要受限于系统中的合束光栅,设计和制作高质量合束光栅对光谱合束而言是非常重要的。本研究将合束光栅制作在多层介质膜上,以期提高光栅的损伤阈值,满足更高功率激光合束系统的需求。

关键技术:

介质膜光栅的制作工艺主要分为6个步骤:清洗基板、旋涂光刻胶、全息曝光记录光栅、显影制作掩模、离子束刻蚀以及清洗去除残胶。其中全息曝光和显影,以及离子束刻蚀,是光栅制作的关键步骤。光栅槽形的占宽比主要通过曝光显影来控制,而光栅槽深的控制则通过离子束刻蚀来实现。本光栅制作的难点在于:1)在高反膜上制作光栅,由于膜层对曝光波长的反射,导致光栅掩模存在“驻波”,因此光刻胶显影模型将不同于通常的矩形模型,给光栅掩模占宽比的精确控制带来困难。2)由于刻蚀材料存在两种介质,其刻蚀速率的差别直接影响刻蚀模型的建立。因此在实验的基础上摸索刻蚀参数,建立更准确且抗干扰的刻蚀模型,对精确控制光栅刻蚀深度是非常重要的。

研究成果:

通过对光刻胶掩模占宽比的精确控制以及对刻蚀槽深的控制,获得符合设计要求的合束光栅。占宽比的控制方法有以下两步:1)根据实验得到刻蚀槽形的占宽比与掩模占宽比之间的关系,从而得出掩模的占宽比容差;2)通过显影监测,控制显影终点的衍射效率与显影监测曲线峰值衍射效率之比,从而得到占宽比在容差范围内的掩模。槽深的控制方法为:1)根据实验得出光刻胶、氧化铪及氧化硅的刻蚀速率;2)根据刻蚀速率计算刻蚀监测模型,并通过刻蚀监测,实现对光栅槽深的控制。通过该工艺路线所制作的光栅,可以在780 nm 到 820 nm范围内,800 nm处偏离角为15°时,TE偏振下反射−1级衍射的平均衍射效率在91%以上。

图1. 激光合束光栅

 

图2. 光栅效率实测曲线

 

平场凹面光栅的设计与检测一

课题背景及意义:

平场全息凹面光栅由于其固有的优势,作为小型光栅光谱仪器中的关键元件,其性能直接决定了光谱仪器的质量,成为高端小型光谱仪器的研发生产中必不可少的一环,吸引了众多光谱仪器厂商的目光。随着光谱仪器市场的急剧增长,国内外的光谱仪器厂商对于平场凹面光栅的需求也是前所未有的高涨与迫切,尤其希望该光栅的制作技术得以继续发展,能够生产出高性能的适用性更广的平场凹面光栅。所以,高性能的平场凹面光栅已经成为制约小型光谱仪器产业发展的瓶颈,对于它的研究是十分迫切和必要的。

关键技术:

平场全息凹面光栅的研制主要包括两方面的内容:如何保证凹面光栅的成像质量和如何提高凹面光栅的衍射效率。本课题围绕上述两个方面,进行了如下工作:

1. 消像差优化方法的研究与计算机程序的编制

程序优化成功率高,具备友好的交互性界面,操作方便快捷,便于进行设计人员的培训。

2. 消像差平场全息凹面光栅的制作工艺研究

研究分析平场全息凹面光栅的制作光路与使用光路之间的误差补偿作用,将凹面光栅的制作光路与使用光路有机地结合起来进行考虑,降低了光路调节的难度,并且对凹面光栅在光谱仪器中的使用光路的装调提供理论上的指导。

3. 提高凹面光栅衍射效率的方法研究

提出一种用直接制作的凸面母光栅来复制凹面光栅的方法。该方法将刻蚀凹面光栅转化为刻蚀凸面光栅,极大地降低了离子束刻蚀的难度,变不可能为可能,为制作闪耀平场凹面光栅提供了一种可行的方法。

研究成果:

复制后的平场全息凹面光栅分辨率检测结果如下:

图1. 复制得到的凹面光栅实物图

 

图2. HG-1型光谱灯采用复制得到的凹面光栅成像情况

 

平场凹面光栅的设计与检测二

课题背景及意义:

  平场全息凹面光栅广泛应用在小型光谱仪中,而且因其装调结构简单、探测系统便捷的优点,在一些大型光谱仪如火花直读光谱仪中也得到重视和应用。平场全息凹面光栅集色散、聚焦和平像场于一体,也因此一定程度上牺牲了分辨率。对于工作波长范围较宽的平场凹面光栅,很难达到全谱的高衍射效率。分辨率和全谱衍射效率成为制约平场凹面光栅在高端光谱仪中应用的瓶颈。研究如何设计制作出应用在大型光谱仪中的高衍射效率和高分辨率的平场全息凹面光栅对促进这类光谱仪的发展是十分必要的。

         在以平场凹面光栅为核心元件的大型光谱仪开发过程,凹面光栅在紫外波段成像质量缺乏简便的检测手段,一般都需要搭建起真空系统后才能检测分析,这大大增长了仪器的开发周期,有效的平场凹面光栅预检测手段的研究是十分有意义的。

课题目标:

1、为某企业正在研发的火花直读光谱仪计制作高分辨率、紫外闪耀的平场全息凹面光栅,并设计相应的核心光学系统结构。

2、探索比传方法分辨率、衍射效率更高的平场全息凹面光栅的设计方法。

3、研究有效、简便的凹面光栅质量分析方法。

研究成果:

1、为企业设计制和对应的光学系统已进入调试阶段

2、通过不消像散的,能提高在一些设计要求下的平场全息凹面光栅的分辨率

3、利用波面测量方法价和分析制作的凹面光栅的质量。

曝光系统图

 

光栅槽形无损检测

课题背景及意义:

光栅形貌的无损检测是光栅制造工艺中的重要反馈环节,尤其对大尺寸、厚基板特种光栅的制造工艺而言,光栅形貌的无损检测是保证其制造质量的关键技术。

三角形闪耀光栅主要由母光栅通过复制工艺大批量制得,其复制后子光栅的闪耀特性(闪耀波长及闪耀时的衍射效率)由光栅形貌(主要是闪耀面底角)决定。三角形母光栅一般可由离子束刻蚀工艺制得,其闪耀面底角受离子束刻蚀参数的影响较大。为了帮助挑选合适的三角形母光栅,指导、改进母光栅的刻蚀工艺参数,需要一种针对三角形母光栅的快速无损检测方法。

驻波形光栅常作为光刻胶掩模出现在高反膜基底光栅的制作过程中,其驻波形栅脊结构的轮廓特征直接决定后续离子束刻蚀过程的效果。对常用的大尺寸、方形基板光栅来说,涂胶工艺带来的光刻胶厚度的不均匀将使得基板各处的驻波形栅脊轮廓特征不同,此种不均匀将传递到最终刻蚀后的光栅成品中并影响其使用性能。为了挑选槽形合适、均匀性较好的刻蚀掩模,提高刻蚀过程的成品率,需要一种针对驻波形掩模光栅的快速无损检测方法。

课题目标:

散射度量是门针对光结构的光学无损检测技术,其通过测量衍射/散射光信息来反演解算结构的微形貌。本课题的目标是,利用散射度量技术,实现针对石英基底的三角形光栅和金-介质膜基底的驻波形光栅槽形的无损测量。

研究成果:

1、构建了一套能测量光栅衍射效率角谱和光谱的实验装置,以满足两类光栅的散射度量需求。

散射度量实验测量系统图

2、 针对石英基底的三角形光栅,利用其光栅形貌不对称导致衍射场不对称的特性,通过测量反射+/-1级衍射效率角谱来反演三角形光栅槽形,具有较高的测量灵敏度。

三角形光栅角谱测量及形貌反演结果。(a) TE,R–1;(b) TM,R–1;(c) TE,R+1;(d) TM,R+1;(e) 反演轮廓和AFM测量轮廓。

3、针对金-介质膜基底的驻波形光刻胶掩模光栅,建立了含有6个参数的轮廓几何模型。在此基础上,提出一种散射度量方法,通过测量TE偏振的0级衍射效率光谱来提取槽深与占宽比,通过测量TM偏振的–1级衍射效率光谱来提取侧壁轮廓参数。

二维计量光栅的标定

课题背景及意义:

一维光栅尺可在较大量程内获得对位移的纳米级测量精度,是工业实际中精密测量位移的一种主要方法。利用二维光栅尺对二维位移进行测量,能够克服用两个一维光栅尺叠加使用带来的阿贝误差,和激光干涉仪相比,受气压、温度、湿度等环境因素影响较小,是有效的二维位移测量的方法。平面电动机的出现和应用,更是对能够同时测量两个维度位移的二维光栅尺提出了强烈需求,二维光栅尺的研究有着重要的意义。

光栅尺在制作过程中的许多误差都将影响最终的测量精度,在光栅尺使用之前,需要对这些误差进行标定与修正。对于一维光栅尺的标定技术较为成熟,通常做法是将光栅尺的测量结果与激光干涉仪的测量结果进行比对并修正。但是,对于二维光栅尺的标定就会复杂许多。如果直接套用一维光栅尺标定的方法对二维光栅尺两个维度分别进行很小步距的标定,整个过程将会耗费大量的时间,而且巨大的测量数据表也会影响二维光栅尺使用时的位移测量速度。所以对于二维光栅尺,寻找可行的标定方法是非常重要的。

光栅的制造误差是影响光栅尺测量精度的最主要的因素。制造误差都可视为系统误差,在大多数情况下都可以在使用前通过标定进行修正。我们希望能够标定并修正二维光栅的制造误差,这项工作不仅能够提高二维光栅尺的测量精度,对二维光栅的制作也有指导意义。

课题目标:

研究有效可行的二维光栅标定方法,标定修正二维光栅的制作误差。主要标定的参数包括:

1.       精密测量二维光栅两周期维度间的不垂直度误差。

2.       标定二维光栅制造过程中的非线性误差。用激光干涉仪获得可溯源的标定结果,探寻用婓索干涉仪测量光栅衍射波面快速标定二维光栅非线性误差的方法,并与激光干涉仪标定结果比对。
拟采用方法:

1.       二维光栅不垂直度测量

 提出一种二维光栅不确定度的测量方法。该方法利用光栅不同级次衍射光形成的干涉条纹对准光栅旋转角度位置,并通过合适的测量策略,直接测量二维光栅的不垂直度偏离角这个小角度。针对栅距1000nm的二维光栅,测量结果的标准不确定度(k=1),与各国计量院间的关于二维光栅的量值比对NANO5中,同类光栅的不垂直度测量结果中最小不确定度(约2arcsec)相比,可将不确定度降低一个数量级,有着重要的应用价值。

不垂直度测量流程。通过两次光栅角度对准,直接测量不垂直度偏离角这个小角度。

  

不垂直度测量装置。利用不同衍射级次衍射光形成的干涉条纹对准光栅角度位置。

2.       二维光栅的激光干涉仪标定系统

搭建二维光栅的激光干涉仪标定系统。设计基于外差干涉的二维光栅尺读数头,该读数头不会因光栅姿态变化产生附加的误差,适用高精度标定的需要。该系统标定多次测量重复性约10nm。

二维光栅读数头设计和激光干涉仪标定系统图

二维光栅尺读数系统

带零位标记的二维光栅设计与制作

课题背景及意义:

光栅尺的测量具有灵敏度高、抗干扰能力强的优点,光栅测量在精密测量、精密加工等领域都被广泛应用。二维计量光栅可以实现二维方向位移的精密测量,有利于消除阿贝误差。

大口径离轴抛物面镜是典型的大型光学系统,其子镜拼接及空间位姿需要进行多自由度同步超精密测量。子镜的位姿可以用二维光栅进行记录,方便调整。

光栅尺测量位移采用的是增量计数的方法,即测量的是相对位移。为了方便地用二维光栅进行位移测量,实现绝对位置测量功能,需要设计带多个零位标记的二维光栅。

课题目标:

  该光栅尺需要满足如下条件:1)零位标记能排布在二维平面光栅内(而不是二维光栅的四周),且不影响二维光栅的使用;2)能实现两个维度的零位信号分别输出;3)有较高的对准灵敏度,能实现快速对准;4)光栅周期为亚微米量级,以提高位移测量分辨率;5)二维主光栅及其上面的零位标记应便于复制,以实现批量生产。

清华大学精密仪器系·光电工程研究所·光栅与测量实验室

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