技术领域
[0001] 本
发明涉及一种原位光通量监测及曝光剂量补偿方法。
背景技术
[0002]
X射线干涉
光刻(XIL)是利用两束或多束相干X光束的干涉条纹对
光刻胶进行曝光的新型先进微、纳加工技术，可以开展几十甚至十几个纳米周期的纳米结构加工。XIL技术适用于制备周期为100nm以下的大面积纳米周期结构，与其他光刻等方法相比，可以更可靠地获得高
质量的亚50nm的高
密度周期性纳米结构，在纳米
电子学、微纳光学、纳米
生物学、纳米器件与材料、
光子晶体等研究领域有着广泛的应用。
[0003] 对于单次曝光而言，利用XIL技术得到的曝光图形面积与掩膜光栅面积有关。若想得到小周期的纳米结构，那么掩膜光栅的面积就会受到一定的限制，目前用于XIL制备小周期图形的掩膜光栅的面积通常小于600μm×600μm，那么曝光图形面积最大即为600μm×600μm。与
电子束曝光等技术相比，单次曝光得到的图形面积已经很大，但是对于某些研究领域依然不够。
[0004] 以光子晶体为例，小周期大面积的光子晶体可以作为高效探测器广泛应用于高能物理、医学成像、
辐射剂量、同步辐射
硬X射线等领域。利用XIL技术可以高质量的制备光子晶体，然而单次曝光得到图形面积远远不能满足作为探测器的应用需求，这就要将多个曝光区域拼接，以获得更大的曝光面积来满足实际应用的需求。目前上海
光源XIL光束线站已经发展了大面积曝光拼接技术，可以通过移动光刻胶将单次曝光的图形逐一拼接，最终可以得到面积为平方厘米甚至更大的大面积曝光图形。具体如图1、2所示，由波荡器光源5产生的相干X射线经过位于
真空管道内的两个反射聚焦镜6、7后汇聚至出射狭缝8处(该出射狭缝8的大小可调，可用于调整光束的相干性，同时出射狭缝8也作为次级光源)，经过出射狭缝8后光束在快
门9(该快门9用于控制曝光时间)的控制下进入实验站的真空腔体内进行光刻实验。在实验过程中，两束X射线分别通过位于真空腔体内的掩膜光栅1产生±1级衍射光，它们的干涉条纹对涂在衬底2上的光刻胶3进行曝光从而在光刻胶3中形成曝光图形4，通过移动衬底2可以将多个单次曝光图形4拼接在一起以形成大面积曝光图形。
[0005] 由此可见，曝光后所得纳米图形的质量与曝光剂量直接相关。如前文所述，为了获得大面积的曝光图形，需要将单次曝光图形逐一拼接，这就需要较长的曝光时间。如果曝光过程中每个区域间的曝光剂量(曝光剂量＝光通量*曝光时间)不同的话，会导致每个区域间的纳米结构不均匀，从而导致最终获得的大面积图形内纳米结构的不均匀，这种图形发展成器件后，器件的性能会受到影响。
[0006] 而在实际曝光过程中，光通量往往在很长时间难以保持恒定不变，这由多种原因造成：首先，虽然上海光源现在是恒流模式运行，但是储存环内的电子束流并不是恒定不变，而是不停的衰减后再注入，储存环束流的变化会影响光通量；其次，储存环内安装了多台插入件设备，插入件间隙的改变会影响电子轨道，引起电子轨道漂移，尤其是光刻束线相邻的上下游插入件间隙的变化对光刻束线影响最大，电子轨道的漂移会引起光源点的变化，从而会影响光通量；最后，光束线中光学元件受热效应的影响会产生形变，这也会引起光通量的变化。综合各种因素在内，光通量在很长时间难以保持恒定不变，这就会对大面积曝光图形拼接实验产生较大的影响，因此，需要对用于长时间阵列曝光的原位光通量进行监测，并对曝光剂量进行必要的补偿。
发明内容
[0007] 为了解决上述
现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种原位光通量监测及曝光剂量补偿方法，以确保在XIL大面积曝光图形拼接过程中曝光剂量恒定不变。
[0008] 本发明所述的一种原位光通量监测及曝光剂量补偿方法，其利用用于进行X射线干涉光刻实验的同步辐射X射线大面积干涉光刻系统实现，该系统包括：依次布置的快门、掩膜光栅、衬底和位于该衬底上的光刻胶，所述方法包括以下步骤：
[0009] 步骤S1，在进行X射线干涉光刻实验前，调整入射光束使其强度在所述掩膜光栅上分布均匀，在该掩膜光栅的上游设置一光电
二极管并使其位于所述入射光束产生的主光路外，测得第一光
电流并计算获得第一光通量Fsu；移动所述入射光束使其强度在所述掩膜光栅上分布不均匀，测得第二光电流并计算获得第二光通量Fsn；重新调整所述入射光束使其强度在所述掩膜光栅上分布均匀；
[0010] 步骤S2，将所述
光电二极管移入所述主光路中，测得主光束光电流IE并计算获得主光束光通量FE；
[0011] 步骤S3，将所述光电二极管移出所述主光路，并分别在所述快门开启与关闭状态下测得初始杂散光光电流IS0和本底光电流IB，然后计算获得初始杂散光光通量FS0和本底光通量FB；
[0012] 步骤S4，根据公式：δ＝(Fsu-FB)/(Fsn-FB)，计算获得偏离
阈值δ；
[0013] 步骤S5，控制所述快门曝光所述光刻胶的第N个区域，且该第N个区域的曝光时间TN为TN＝D/FE，其中，D为预设的曝光剂量，同时，测得该第N个区域曝光时的第N个杂散光光电流ISN，并计算获得第N个杂散光光通量FSN，然后，移动所述衬底以使透过所述掩膜光栅的衍射光束对准所述光刻胶的第N+1个区域；
[0014] 步骤S6，判断不等式：(1-δ)<(FSN-FB)/(FS0-FB)<(1+δ)，是否成立；若成立，则执行步骤S7，否则，取N＝N+1，并返
回执行步骤S1；
[0015] 步骤S7，控制所述快门曝光所述光刻胶的第N+1个区域，且该第N+1个区域的曝光时间TN+1为TN+1＝A*D/FE，其中，补偿系数A＝(FSN-FB)/(FSN-1-FB)，FSN-1表示第N-1个杂散光光通量，同时，测得该第N+1个区域曝光时的第N+1个杂散光光电流ISN+1，并计算获得第N+1个杂散光光通量FSN+1，然后，移动所述衬底以使所述衍射光束对准所述光刻胶的第N+2个区域；取N＝N+1，并返回执行步骤S6；
[0016] 其中，N为自然数。
[0017] 在上述的原位光通量监测及曝光剂量补偿方法中，还包括：通过与所述光电二极管连接的电流计测得所述步骤S1、步骤S2、步骤S3、步骤S5和步骤S7中的各个光电流。
[0018] 在上述的原位光通量监测及曝光剂量补偿方法中，还包括：根据以下公式计算获得所述步骤S1、步骤S2、步骤S3、步骤S5和步骤S7中的各个光通量：Flux＝I/R*6.25*1018/Eph，其中，Flux表示光通量，I表示光电流，R表示转换效率，Eph表示入射光子
能量。
[0019] 在上述的原位光通量监测及曝光剂量补偿方法中，还包括：通过设置在所述衬底下游的CCD探测器观察所述入射光束的强度在所述掩膜光栅上分布的均匀性。
[0020] 由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过采用光电二极管在光刻实验开始前对经过出射狭缝进入真空腔体内的主光束的光通量进行测量，并在进行实验曝光时对经过出射狭缝进入真空腔体内的强度与主光束成正比的杂散光的光通量进行监测，从而根据杂散光的光强变化实时调整各个光刻区域的曝光时间，由此对曝光剂量进行补偿，以使曝光剂量在XIL大面积曝光图形拼接过程中保持不变，从而确保最终获得的大面积曝光图形内的纳米结构均匀，进而有效提高这种曝光图形形成的器件性能。
附图说明
[0021] 图1是XIL大面积曝光图形拼接技术的曝光光路示意图；
[0022] 图2是XIL大面积曝光图形拼接技术的原理示意图；
[0023] 图3是本发明一种原位光通量监测及曝光剂量补偿方法中原位光强监测原理示意图。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图，给出本发明的较佳
实施例，并予以详细描述。
[0025] 本发明，即一种原位光通量监测及曝光剂量补偿方法，包括以下步骤：
[0026] 步骤S1，在利用现有的同步辐射X射线大面积干涉光刻系统(如图1所示)进行X射线干涉光刻实验之前，首先，调整入射光束(即，X射线)使其强度在掩膜光栅1上分布均匀，在真空腔体内掩膜光栅1的上游设置光电二极管11，并使其位于入射光束产生的主光路外(如图3所示，此时光电二极管11处于监测
位置)，通过与光电二极管11连接的电流计(未示出)测得第一光电流，然后计算获得第一光通量Fsu(光通量的计算公式为：Flux(单位：Photons/s)＝I(单位：A)/R(单位：A/W)*6.25*1018/Eph(单位：eV)，其中，Flux表示光通量，I表示光电流，R表示转换效率，Eph表示入射光子能量)；接着，移动入射光束使其强度在掩膜光栅1上分布不均匀，光电二极管11的位置保持不变，通过电流计测得第二光电流，然后计算获得第二光通量Fsn；最后，重新调整入射光束使其强度在掩膜光栅1上分布均匀；
[0027] 在本实施例中，可通过设置在真空腔体内的CCD探测器10观察掩膜光栅1上的光强分布情况，具体来说：掩膜光栅1由多
块对称设置的子光栅构成，例如，左、右排列的两块子光栅，或者上、下、左、右排列的四块子光栅，各个子光栅上的光强可通过CCD探测器10上的读数来体现，即，通过通过CCD探测器10上的读数可以判断掩膜光栅1上的光强分布是否均匀：当CCD探测器10上对应掩膜光栅1的对称位置的子光栅的读数大致相同时(例如，左、右两块子光栅对应的读数大致相同，上、下两块子光栅对应的读数大致相同)，即表示掩膜光栅1上的光强分布均匀，否则即为不均匀(例如，当位置对称的两块子光栅的读数比值超过1.2，则表示光强分布不均匀)；
[0028] 步骤S2，将光电二极管11移入入射光束产生的主光路中(如图3所示，此时光电二极管11处于测量位置)，通过电流计测得主光束光电流IE，然而计算获得主光束光通量FE；
[0029] 步骤S3，将光电二极管11移出主光路(如图3所示，此时光电二极管11处于监测位置)，并分别在快门9(如图1所示)开启与关闭状态下通过电流计测得初始杂散光光电流IS0和本底光电流IB，然后计算获得初始杂散光光通量FS0和本底光通量FB；
[0030] 步骤S4，根据以下公式计算偏离阈值δ：δ＝(Fsu-FB)/(Fsn-FB)；
[0031] 步骤S5，将光电二极管11的位置保持在主光路外(即图3中所示的监测位置)，并控制快门9曝光位于衬底2上的光刻胶3(如图2所示)的第N个区域(N为自然数)，且该第N个区域的曝光时间TN为TN＝D/FE，其中，D为预设的曝光剂量，同时，通过电流计测得第N个区域曝光时的第N个杂散光光电流ISN，并计算获得第N个杂散光光通量FSN，然后，移动衬底2以使透过掩膜光栅1的衍射光束(即图1、2中的±1级衍射光)对准光刻胶3的第N+1个区域；
[0032] 步骤S6，判断以下不等式是否成立：(1-δ)<(FSN-FB)/(FS0-FB)<(1+δ)；若成立(即，表示入射光束在掩膜光栅1上分布的不均匀性在可承受的范围内，可以满足曝光要求，此时光刻实验可以继续)，则执行步骤S7，否则(即，表示入射光束在掩膜光栅1上分布的不均匀性已超出可承受的范围，此时需要重新调整入射光线的光强分布)，取N＝N+1，并返回执行步骤S1；
[0033] 步骤S7，将光电二极管11的位置保持在主光路外(即图3中所示的监测位置)，并控制快门9曝光光刻胶3的第N+1个区域，且该第N+1个区域的曝光时间TN+1为TN+1＝A*D/FE，其中，补偿系数A＝(FSN-FB)/(FSN-1-FB)，FSN-1表示第N-1个杂散光光通量(其根据电流计测得的第N-1个区域曝光时的第N-1个杂散光光电流ISN-1计算获得，当N＝1时，该第N-1个杂散光光通量FSN-1即为初始杂散光光通量FS0)，同时，通过电流计测得第N+1个区域曝光时的第N+1个杂散光光电流ISN+1，并计算获得第N+1个杂散光光通量FSN+1，然后，移动衬底2以使透过掩膜光栅1的衍射光束(即图1、2中的±1级衍射光)对准光刻胶3的第N+2个区域；取N＝N+1，并返回执行步骤S6。
[0034] 本发明的工作原理如下：
[0035] 如图3所示，假设曝光所需剂量为D，经光电二极管11标定的光通量为F，那么每个曝光区域的曝光时间T为D/F。若光通量恒定，则每个曝光区域接受的曝光剂量相同，若光通量有变化，则每个曝光区域接受的曝光剂量随之变化。
[0036] 由于光束具有良好的相干性，因此在出射狭缝8处会发生衍射，高级次衍射光会照射到真空管道上，而真空管道往往内壁粗糙，因此会形成漫反射，从而使高级次衍射光变成杂散光，这些杂散光也同样会传输至实验站的真空腔体内被光电二极管11探测到。杂散光由于源自高级次衍射，其强度与主光束成正比，因此可以利用光电二极管11探测这些杂散光，通过杂散光的强度变化反映主光束的强度变化。由此，在曝光时，可以利用这些杂散光对主光束的强度变化进行原位监测，并根据监测到的光电流变化实时调整曝光时间，从而确保每个曝光区域的曝光剂量相同，进而确保最终获得的大面积曝光图形内的纳米结构均匀。
[0037] 以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明
申请的
权利要求书及
说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明
专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
