1997年 微细加工技术 N.3 第3期 Microfabrication Technology 1997 二次曝光全息干涉技术及其应用 李田泽 山东工程学院电气工程亲,淄博255012) 摘要】本文对全息曝光技术进行了分析,給出了二次曝光的典型再现光路,并 且对制造微电子集成电路上的应用作丁展望。 关键词:激光全息术;二次曝光;再现光路;微电子集成电路 1引言 从 Gabor发明全息术以来,Baez就提出X光全息显微镜设想。1972年,Aoki和 kikuta分 别以4.8nm的Cke线和6nm同步辐射源,用狭缝做参考源首先拍摄了一维无透镜傅里叶变 换X光全息图。1974年两位日本人在同步辐射源和微聚焦X光管上,以化学纤维和红球为 研究对象,用波长为0.834nm拍摄了第一张同轴X光全息图,然而当时获得的X光源的相干 性太差,分辨率都比较低。激光这种具有优良相干性的新光源的发明,不仅开拓了经典干涉技 术的测试范围,提高了测量精度,而且由于激光技术的发展带动了全息、散斑技术、光刻技术的 发展。如1989年G· Meltz首次以紫外激光(244nm)作为光源采用全息干涉法制作出第 侧向写入光纤光栅以来,紫外写入光纤光栅技术正以其高精度、低成本逐渐受到人们的青睐 近年来,随着社会信息技术需求的急剧增加,光通信作为信息领域的热点问题之一,也不断受 到新的挑战,要求其不断更新进步,以适应信息社会的迅猛发展。由于光栅具有有效的选频作 用,故光纤光栅能呈现丰富多彩的传输特性。随着激光的出现和激光技术的进一步发展,以激 光作光源获取相十光波的主息光技术有了进一步的发展。本文对以激光作光源获取相干光 波的二次曝光技术作了分析讨论后,对其应用特别在制作微电子电路曝光技术及集成器件上 的应用作了闸述。 2二次曝光全息干涉原理及光路 二次曝光法是将初始物光波面与变化以后的物光波面相比较。在记录过程中的一张全息 干板作两次曝光,一次是记录初始光波的全息图;一次是记录变化以后的物光波的全息图。当 收稿日期:1997-04-1 27 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved
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用照明光波再现时,可再现出两个物光波面,这两个波面是相干的,可以观察到它们之间的干 涉条纹 设参考光波为UR= Roexp(2rif,y),其中f,=sn0,一次曝光记录的物光波为U1(x,y)= O(xy)exp〔一冲(x,y)〕,二次曝光记录的物光波为U2(x,y)=0(x,y)exp{-i[中(x,y)+△中 (x,y)〕},经二次曝光的全息图用UR参考光照明,则再现波的复振幅将和U1(x,y)+U2(x,y) 成正比,其光强度分布为() I(x,y)=|U(x,y)+U2(x,y)|2 =1Oexp〔-(xy)+O。(x,y)exP{(4(x,y)+△↓(x,y))}|2 =20(x9)1+0△4x9 (1) 由式(1)可见物体光波强度O(x,y)被条纹图样2{1+cos△∮(x,y)〕}所调制。暗条纹是△中 等于π的奇数倍的一些等值线,亮条纹是△等于π的偶数倍的一些等值线 图1是透明物体的二次曝光光路。用平行光照射物体,其透射光与参考光干涉产生全息 全鸟干板 自 (a)记录光路 (b)再现光路 图1透明物体的二次曝光光路 图。一次曝光是初始状态的样品(或不放样品),另一次曝光时样品已发生变化(或放入样品) 参考光R用平面光波或球面光波都可以。物体用平行光照明时,可以得到像面全息图,即全息 干板上记录的是两个波面干涉的像图全息图。再现时,有两种观察方式,一种如图1(b)所示, 用原来的参考光R照明再现在小孔E处可观察到整个物面上的条纹。另一种是根据像面全 息的特点,可用白光直接观察,在合适的方向上可以看到干涉条纹。暗纹是黑的,亮纹是彩色 的,角度改变时,条纹的彩色也在变化,但条纹的位置不变。 图2给出了透明物体的二次噪光法的另一典型光路。通常用一块很薄的毛玻璃产生散射 光,这样物体可以获得各种方向的照明。对于参考光同样可以用平面或球面光波。用这种方式 所记录的二次曝光全息图,再现时,可在原来记录光路中(挡住物光)再现,也可用一细激光束 从与参考光相反的方向照明,再现的原始象光波是发散的,可投影到屏上观察 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved
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毛玻璃U1U1全息千板 (a)记录光路 (b)再现光路 图2漫射光照明的二次曝光光路 3全息曝光法的应用与展望 3.1曝光技术在制作光纤光栅器件上的应用 全息曝光法制作光纤光栅是人们早已采用的一种工艺),它首先通过分束器将光源分成 两束等强光束,经过相同光程照射在光纤上形成强度周期性变化的干涉条纹,光纤折射率随光 强发生周期性变化形成了光纤光栅。光栅周期T与入射波长A,以及两干涉分束夹角φ满足 关系式T=n/2in。全息曝光法的主要优点是光栅制作周期调谐方便灵活,Brag波长可通 过改变入射光束间夹角很容易进行调节。利用曝光技术制成的光纤光栅的应用领域正在不断 取得新的进展,一方面主要集中于光纤光栅传感器。另一方面则是在光纤通讯领域。随着光纤 光栅制作性能的不断完善将会导致光纤技术及其相关领域的又一次新的革命。 目前,一些发达国家已有相当的人力和物力集中对光纤光栅器件进行了研究和制作并取 得了令人瞩目的成果,其中光纤布喇格光栅和诸多全光纤光子器件有望在不远的将来进入实 用化。随科学技术和信息技术及其需求的迅猛发展,从其应用前景来看,光纤光栅技术有着巨 大的潜力,许多已经通用的器件都可能被光纤光栅器件所替代,光纤光栅以及相关器件的研制 必然产生巨大的经济效益,目前 Bragg光纤光栅已形成产品步入市场。 32二次曝光技术在光刻术方面应用 光刻术是把超小线条刻印到半导体薄片上来制作复杂电路的技术,目前这些半导体电路 正促使信息爆炸。这一技术是今天经典光学设计和制造的需求量最大的应用之一。光刻技术 的进展对半导体工业的显著增长也有一定的贡献。半导体技术从粗糙的单个晶体管到由百万 个晶体管很快将是10亿个晶体管组成的微处理器和记忆芯片非同寻常的发展是一段令人 神往的历史。1979年,常规智能把光刻限制到1m的分辨率,出现了1983年就被电子束成像 系统所替代的情形,到1985年这一估算修改为05m的最小分辨率,又出现了1993年被X 射线光刻术取代的情形。今天,用光刻进行025m生产刚刚开始,0.18m似乎也有可能。但 光刻一直是芯片生产成本的限制因素。什么技术能够同时满足光刻过程的成本的性能要求?迄 今只有光学投影光刻术显示出适于完成这一任务。根据瑞利标准,分辨率是由成像光的波长 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved
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(λ)和投影透镜的数值孔径(NA)决定 R∞/NA 其中一部隐含的但是重要的假定是:像质在这种分辨率下近乎完美。此外,图像的场尺寸必须 很大。因此,改善光学分辨率的挑战是显而易见的。随着二次曝光技术的不断发展,这一技术 在改变光学分辨率上将有一定的应用前景 33二次曝光技术应用于物体表面的变形和位移的研究 用全息干涉方法可以研究不透明物体表面的变形和位移。其光路如图3.其中采用了平行 光垂直照明的方式。图4是表面形变二次曝光全息干涉原理图。二次曝光全息干涉法是比较 Hf目 观察点 照明点源 图3平面物体位移和变形的二次曝光光路图4表面形变二次曝光全息干涉原理图 两波面沿观察方向的相位变化△中或光程差,故一张全息图只能观察到沿观察方向的形变分 量。如图4所示,假定物体是在垂直于其表面的方向发生位移Z,若照明光和表面法向成a角 观察角为B,当Z1很小时,其光程差为 AS=S-S,=Z,(cosa+cosB) (3) 相位差△中为 △中=于△S=Z1( cosaTcosB) (4) 由式(1),则干涉图上的光强度分布为 I(x,y)=20%(x,y)1+cos[ZI(cosa+cosp)) (5) 利用三角关系 式(5)可化为 I(x,y)=40(x, y)cos(.Z,(cosa+cosB)) (6) 因此,(1)由式(6)可知当△中=32(0sa+cos)改变r时,变化一个条纹,即 Z(cosa+cosB)=λ Z1=λ/(cosa+cosB) (7) 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved
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N个条纹的变化相应的形变量为N/cosa+cos。仅当a=B=0时,即在垂直表面沿位移 方向观察时,每个条纹相当于/2的形变 (2)对漫反射物体二次曝光全息图所看到的条纹出现在空间定域。全息干涉条纹通常定 域在某一空间曲线面)上,锐度取决于观测系统的孔径。 参考文献 1 Aski S, Kikuta S. J Appl phys. 1974:(9): 1385 2 Meltz G. Opt lett,1989:1(15):823 3贺安之,阄大鹏.激光瞬态千涉度量学.北京:机械工业出版社,1993:39 4王东,祁雷,张玉书,微细加工技术,1996(4):1 5莎燕,剑南.激光与光电子学进展,1997(3):1 INTERFERE TECHNIQUE OF TWO-EXPOSURE HOLOGRAPHY AND ITS APPLICATION Li ti (Electrical Engineering department of Shan Dong Institute of Engineering, Zibo 255012 ABSTRACT The exposure technique of holography is analyzed. The typical reappearing optical path of two-exposure is given and it's applications to microelectronic inte grated circuits are reviewed Key words: laser holography two exposure reappearing light path; micro electronic circuit 李田泽( Li Tianze)男,1962年生。毕业于南京理工大学测议计量及仪器专业,硕士学位,讲师。现从 事光电检测方面的研览。 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved
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