深紫外雙層金屬光柵偏振器的設(shè)計(jì)與分析*

吳芳 步揚(yáng)? 劉志帆 王少卿 李思坤 王向朝

1) (中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所, 信息光學(xué)與光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201800)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 材料與光電研究中心, 北京 100049)

3) (上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院, 上海 200444)

193 nm 波長(zhǎng)浸沒(méi)式步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)是實(shí)現(xiàn)45 nm 及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)集成電路制造的核心裝備.增大數(shù)值孔徑是提高光刻分辨率的有效途徑, 而大數(shù)值孔徑曝光系統(tǒng)的偏振性能嚴(yán)重影響光刻成像質(zhì)量.光刻機(jī)曝光系統(tǒng)偏振參數(shù)的高精度檢測(cè)是對(duì)其進(jìn)行有效調(diào)控的前提.基于光柵的偏振檢測(cè)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)浸沒(méi)式光刻機(jī)偏振檢測(cè)裝置的小型化, 滿足其快速、高精度在線檢測(cè)的需求, 該技術(shù)中的關(guān)鍵部件是結(jié)構(gòu)緊湊且偏振性能良好的光柵.本文基于反常偏振效應(yīng)和雙層金屬光柵對(duì)TE 偏振光的透射增強(qiáng)原理, 采用嚴(yán)格耦合波理論和有限時(shí)域差分方法, 設(shè)計(jì)了一種雙層金屬光柵偏振器.計(jì)算了該偏振器的初始結(jié)構(gòu)參數(shù), 并通過(guò)數(shù)值仿真得到了其偏振性能關(guān)于各光柵參數(shù)的變化關(guān)系.仿真結(jié)果表明, 中間層高度是影響TE 偏振光透射增強(qiáng)的主要因素; 垂直入射時(shí)TE 偏振光的透過(guò)率可達(dá)到56.8%, 消光比高達(dá)65.6 dB.與現(xiàn)有同波段金屬光柵偏振器相比, 所設(shè)計(jì)的光柵偏振器在保證高透過(guò)率的同時(shí), 消光比提升了四個(gè)數(shù)量級(jí).

1 引 言

隨著大規(guī)模集成電路制造工藝發(fā)展到45 nm及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn), 步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)必須使用大數(shù)值孔徑曝光系統(tǒng).大數(shù)值孔徑條件下, 曝光系統(tǒng)的偏振性能對(duì)光刻成像對(duì)比度、光刻工藝窗口和掩模誤差增強(qiáng)因子等指標(biāo)的影響不可忽略, 其嚴(yán)重影響光刻成像質(zhì)量, 且隨技術(shù)節(jié)點(diǎn)的縮減愈加明顯[1?4].對(duì)曝光系統(tǒng)偏振參數(shù)進(jìn)行有效調(diào)控的前提是實(shí)現(xiàn)其偏振參數(shù)的高精度檢測(cè).通常在光刻機(jī)的掩模面或硅片面進(jìn)行曝光系統(tǒng)的偏振參數(shù)檢測(cè).旋轉(zhuǎn)波片法是光刻機(jī)曝光系統(tǒng)偏振參數(shù)檢測(cè)的常用方法, 其檢測(cè)裝置主要由光學(xué)成像單元、四分之一波片、檢偏器和探測(cè)器組成[5?8].基于旋轉(zhuǎn)波片法的浸沒(méi)式光刻機(jī)偏振檢測(cè)系統(tǒng)常用偏振棱鏡作為檢偏器, 偏振棱鏡體積大且需要與后置光學(xué)元件距離足夠長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)偏振分束, 難以實(shí)現(xiàn)小型化.在檢測(cè)過(guò)程中,旋轉(zhuǎn)波片法需要驅(qū)動(dòng)裝置控制波片旋轉(zhuǎn), 這使得整個(gè)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大.以NA1.35 步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)曝光系統(tǒng)為例, 其掩模面與照明系統(tǒng)最后一個(gè)單元(均勻性校正單元)的縱向距離僅53 mm, 旋轉(zhuǎn)波片法通常需要將照明光束傳遞至掩模外較大空間以放置偏振檢測(cè)裝置.此外, 浸沒(méi)式光刻機(jī)偏振檢測(cè)精度要求DOP(3σ) < 0.3%, 數(shù)值計(jì)算表明此時(shí)要求檢偏器的消光比達(dá)到30 dB 以上.為滿足浸沒(méi)式光刻機(jī)偏振檢測(cè)系統(tǒng)的小型化和快速、高精度檢測(cè)需求, 實(shí)現(xiàn)插入式偏振檢測(cè), 具有優(yōu)越偏振性能且體積小、易集成的偏振器是其關(guān)鍵.

金屬光柵偏振器可在較寬光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高消光比和高透過(guò)率, 且具有體積小、易集成化、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn), 已被廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光和紅外光學(xué)系統(tǒng)[9?11].在深紫外波段, 研究者[12?14]提出的光柵偏振器的光柵周期均在100 nm 甚至更小, 且偏振性能不佳.Honkanen 等[15]發(fā)現(xiàn)在金屬光柵偏振器的共振域存在反常偏振現(xiàn)象, 即TE 偏振光的傳輸效率高于TM 偏振光.Kang 等[16,17]基于亞波長(zhǎng)金屬光柵的反常偏振效應(yīng), 提出深紫外鋁-二氧化硅混合光柵, 在196 nm 波長(zhǎng)下透過(guò)率為30%, 消光比為35 dB.張沖等[18]提出一種深紫外介質(zhì)-金屬光柵偏振器, 在193 nm 波長(zhǎng)下透過(guò)率為60%, 消光比為180: 1(23 dB).以上偏振器不能兼具高消光比和高透過(guò)率, 無(wú)法滿足浸沒(méi)式光刻機(jī)曝光系統(tǒng)對(duì)偏振檢測(cè)裝置的需求.而雙層金屬光柵具有更加優(yōu)越的偏振性能且其制作方法簡(jiǎn)單, 工藝容差要求和成本較低, 且對(duì)TE 偏振光有異常透射作用[19?21].在可見(jiàn)光和紅外波段, 研究者利用雙層金屬光柵中TM 偏振光入射時(shí)表面等離子體激元耦合共振,以及雙層金屬光柵內(nèi)形成類Fabry-Perot 腔諧振增強(qiáng)效果, 實(shí)現(xiàn)對(duì)TE 偏振光透射的增強(qiáng)[22,23], 但在深紫外波段的設(shè)計(jì)鮮有報(bào)道.

本文針對(duì)193 nm 波長(zhǎng)浸沒(méi)式光刻機(jī)偏振檢測(cè)裝置高精度、小型化和低成本需求, 將金屬光柵共振域的反常偏振效應(yīng)和雙層金屬光柵對(duì)TE 偏振光的異常透射特性結(jié)合, 基于嚴(yán)格耦合波(rigorous coupled-wave analysis, RCWA)和時(shí)域有限差分方法(finite-difference time-domain, FDTD)設(shè)計(jì)一種透射式雙層金屬光柵偏振器.利用TM偏振光入射時(shí)在不同金屬-介質(zhì)界面產(chǎn)生的表面等離子體共振效應(yīng)和雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)中形成的類F-P 腔諧振增強(qiáng)機(jī)理, 確定光柵的初始結(jié)構(gòu)參數(shù).分析雙層金屬光柵占空比、介質(zhì)層厚度、金屬層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)偏振透過(guò)率和消光比的影響, 在此基礎(chǔ)上對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.通過(guò)在雙層金屬光柵和基底間添加一定厚度的氟化鎂介質(zhì)層進(jìn)一步提高該光柵的偏振性能.不同偏振光入射條件下,對(duì)所設(shè)計(jì)光柵的截面場(chǎng)分布進(jìn)行了分析, 以確定該結(jié)構(gòu)偏振性能產(chǎn)生的物理機(jī)制.

2 雙層金屬光柵理論模型

雙層金屬光柵偏振器結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 光柵基底材料為熔石英, 金屬材料為在深紫外具有反常偏振效應(yīng)的鋁.光柵主要參數(shù)包括: 光柵周期P, 頂層金屬柵線寬度w, 占空比w/P, 頂層和底層金屬層厚度h, 二氧化硅介質(zhì)層厚度H 和氟化鎂介質(zhì)層厚度h1.光源波長(zhǎng)為193 nm, 光源從基底沿z 軸正方向垂直入射.入射光分為電場(chǎng)垂直于柵線方向的TM 偏振光分量和平行于柵線的TE 偏振光分量.消光比(extinction ratio, ER)定義為 1 0 log(TTE/TTM).

圖1 雙層金屬光柵偏振器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic diagram of bilayer metallic grating polarizer.

光柵周期是影響光柵偏振性能的關(guān)鍵參數(shù)之一.當(dāng)光柵周期遠(yuǎn)小于入射波長(zhǎng)時(shí)稱為亞波長(zhǎng)光柵, 此時(shí)透射光波中只有零級(jí)衍射光波, 其他級(jí)次的衍射光波均為倏逝波.當(dāng)光柵周期介于入射波長(zhǎng)的一半到兩倍之間時(shí)為光柵的共振域, 共振域光柵會(huì)出現(xiàn)瑞利-伍德異?，F(xiàn)象[15], 此時(shí)m 級(jí)衍射光的衍射角達(dá)到90°(即沿光柵表面?zhèn)鞑?, 引起衍射波能量在其他衍射級(jí)次上重新分布, 透射光強(qiáng)會(huì)呈現(xiàn)尖銳的變化.該異常發(fā)生條件為

其中P 為光柵周期; ni為入射介質(zhì)折射率; θi為入射角; ns為出射介質(zhì)折射率; λ 為入射波長(zhǎng).

深紫外波段常用基底材料是熔石英和氟化鎂.波長(zhǎng)為193 nm 時(shí), 二者折射率分別是nSiO2=1.5629+0i 和 nMgF2=1.4796+0.0019i.由于氟化鎂折射率虛部不為零, 當(dāng)基底厚度較大時(shí), 基底吸收不可忽略,導(dǎo)致透過(guò)率降低.為保證高透過(guò)率, 光柵基底選擇為熔石英.為得到高衍射效率和高偏振, 要求只存在零級(jí)衍射光, 同時(shí)根據(jù)瑞利-伍德異常條件, 計(jì)算光柵周期應(yīng)小于193 nm.

表面等離子體激元會(huì)影響金屬光柵TM 偏振光的透過(guò)率[24?30].反常偏振條件下, 利用表面等離子體共振對(duì)TM 偏振光透射的強(qiáng)抑制作用, 可獲得高消光比光柵.TM 偏振光具有垂直于金屬表面的電場(chǎng)分量, 使金屬產(chǎn)生表面電荷, 當(dāng)入射光波矢和表面等離子波的波矢相匹配時(shí), 兩種電磁波模式發(fā)生強(qiáng)烈地耦合激發(fā)表面等離子體波, 產(chǎn)生表面等離子體共振.共振條件為[31]

其中 m >0 取+號(hào), m <0 取-號(hào); k0=2π/λ 為真空中的波數(shù); ε 和 εm分別為介質(zhì)和金屬材料介電常數(shù).

當(dāng)入射波長(zhǎng)接近表面等離子體共振波長(zhǎng)時(shí), 光柵產(chǎn)生透射異常.當(dāng)共振波長(zhǎng)為193 nm 時(shí), 在鋁-空氣界面和鋁-氟化鎂界面產(chǎn)生表面等離子體共振的光柵周期條件分別為: 172 nm 和97 nm.然而表面等離子體共振波長(zhǎng)會(huì)偏離透射光譜的峰谷位置,即表面等離子體共振產(chǎn)生異常透射的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)存在偏離共振波長(zhǎng)的情況[32].此外, 只產(chǎn)生零級(jí)衍射光時(shí)要求光柵周期小于193 nm, 綜合考慮器件的偏振性能需求和制造工藝難度選擇光柵周期為180 nm.

對(duì)于TM 偏振光入射進(jìn)入底層金屬光柵中, 鋁-二氧化硅-鋁腔形成金屬-介質(zhì)-金屬縫隙波導(dǎo).當(dāng)滿足波矢匹配條件時(shí), 波導(dǎo)中TM 偏振光的光學(xué)模式在其界面轉(zhuǎn)化成表面等離子體激元模式.表面等離子體激元在波導(dǎo)中的色散方程為[33]

其中, a 為介質(zhì)寬度; [ Re(k)]?1和 [ Re(km)]?1分別為表面等離子體在介質(zhì)和金屬中的衰減長(zhǎng)度;βspp為波導(dǎo)模式中電磁波傳播常數(shù); nspp為波導(dǎo)中有效折射率.

金屬-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)類似于一個(gè)F-P 諧振腔,TM 偏振光入射到金屬表面產(chǎn)生表面等離子體波,并在腔內(nèi)產(chǎn)生駐波.光柵深度調(diào)制波導(dǎo)內(nèi)包含駐波周期的個(gè)數(shù), 進(jìn)而調(diào)制其透射光譜產(chǎn)生周期性變化.當(dāng)光柵深度為駐波周期的非整數(shù)倍時(shí), 出射面金屬頂角產(chǎn)生更強(qiáng)的電偶極子, 此時(shí)入射面金屬的電荷很少, TM 偏振光的透過(guò)率降低[34].根據(jù)類FP 腔諧振條件可以初步確定金屬層的厚度, F-P 腔諧振公式為[25?27]

其中 nF?P=β/k0, β 為類F-P 腔內(nèi)電磁波傳播常數(shù); ? 為腔內(nèi)反射產(chǎn)生的附加相移修正項(xiàng), 反映了入射波長(zhǎng)和基底介電常數(shù)等對(duì)類F-P 腔長(zhǎng)度的影響, 當(dāng)腔體結(jié)構(gòu)確定時(shí), ? 為定值.

TM 偏振光入射時(shí), 聯(lián)立(3)式—(5)式計(jì)算底層金屬光柵形成的類F-P 腔中, 腔內(nèi)有效折射率為2.25.m = 1 時(shí), 忽略修正項(xiàng), 共振周期為42.8 nm.TE 偏振光沒(méi)有垂直于金屬表面的電場(chǎng)分量, 無(wú)法滿足耦合條件, 不產(chǎn)生表面等離子體激元, 計(jì)算m = 1 時(shí)共振周期為61.7 nm.為使TE 偏振光透射增強(qiáng), 取金屬層高度接近其共振周期; 為使TM偏振光透射被抑制, 取金屬層高度接近其共振周期的1.5 倍, 故金屬層初始高度定為60 nm.

TE 偏振光入射時(shí), 介質(zhì)腔存在截止寬度[35,36].當(dāng)介質(zhì)腔寬度小于 λ /2n 時(shí), TE 偏振光透射截止(n 為腔內(nèi)折射率).此外, 在截止寬度附近存在一個(gè)介質(zhì)寬度使TE 偏振光透射增強(qiáng), 且在狹縫附近的能流密度呈現(xiàn)出光學(xué)漩渦和其他類型的相位奇異性[37].TE 偏振光入射, 介質(zhì)分別為二氧化硅和空氣時(shí)的金屬光柵介質(zhì)腔截止寬度分別為61.7 nm和96.5 nm.為保證TE 偏振光的高透過(guò)率, 取w初始寬度為84 nm, 即占空比為0.47.

根據(jù)“膜系統(tǒng)”方法, 可將雙層金屬光柵的介質(zhì)-空氣中間層等效為一層均勻電介質(zhì), 視為一層波導(dǎo), 計(jì)算中間層兩相介質(zhì)的等效折射率公式為

其中 n0是模相(主相)折射率; n1是嵌入相折射率,g1是嵌入相的體積百分比.

將雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)等效成頂層為金屬-空氣層, 中間層為波導(dǎo)層, 底層為金屬-介質(zhì)層, 將頂層和底層光柵等效成金屬層, 視為腔體, 近似形成類F-P 諧振腔[21].通過(guò)底層光柵傳輸?shù)墓獠ㄔ陧攲庸鈻盘幃a(chǎn)生部分反射, 并在中間層多次反射后產(chǎn)生干涉.其中間層高度根據(jù)使TE 偏振光入射時(shí)在該類F-P 腔中產(chǎn)生共振增強(qiáng)確定.當(dāng)m = 1 時(shí), 計(jì)算共振周期為78.7 nm, 取初始中間層高度為75 nm,二氧化硅層高度為中間層高度和金屬層高度之和,其初始高度為135 nm.

由于熔石英基底折射率大于氟化鎂, 可在光柵與基底之間添加適當(dāng)厚度的氟化鎂介質(zhì)層, 起到減反增透的效果, 進(jìn)一步提高器件透過(guò)率[38].當(dāng)膜層的光學(xué)厚度為 λ /4 時(shí)增透效果最好, 故氟化鎂介質(zhì)層初始高度設(shè)置為33 nm.

根據(jù)瑞利-伍德異常和表面等離子體共振條件,確定雙層金屬光柵的周期為180 nm; 根據(jù)TE 偏振光在介質(zhì)腔內(nèi)的截止寬度, 確定初始占空比為0.47;根據(jù)頂層和底層金屬光柵層中金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)形成的類F-P 腔諧振, 確定金屬層初始厚度為60 nm;根據(jù)將頂層和底層金屬光柵間的中間層等效為一層波導(dǎo), 確定中間層的初始高度為75 nm, 二氧化硅層初始高度為135 nm; 根據(jù)增透膜層原理, 確定氟化鎂介質(zhì)層初始高度為33 nm.根據(jù)以上雙層金屬光柵的初始結(jié)構(gòu)參數(shù), 利用Lumerical FDTD Solutions 進(jìn)行數(shù)值仿真, 其中, 在光柵周期性方向上(± x)采用周期性邊界條件, 在光束傳播方向(± z)上采用完美匹配層邊界條件.結(jié)合數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)光柵各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化, 并對(duì)其偏振透射增強(qiáng)產(chǎn)生的物理機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證與分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 占空比對(duì)光柵偏振性能的影響

根據(jù)第2 節(jié)初始參數(shù)設(shè)計(jì), 光柵周期為180 nm,初始金屬光柵層高度為60 nm, 二氧化硅層高度為135 nm, 氟化鎂層高度為33 nm.占空比變化對(duì)光柵偏振透過(guò)率和消光比的影響如圖2 所示.圖2表明: 隨著占空比的增大, TE 偏振光透過(guò)率先增大后減小, 占空比大于0.8 時(shí), 出現(xiàn)正常偏振現(xiàn)象,即TM 偏振光透過(guò)率大于TE 偏振光透過(guò)率; TM偏振光透過(guò)率整體較小, 在占空比為0.44 處取得極小值, 此時(shí)消光比為極大值.故取占空比為0.44,對(duì)應(yīng)的頂層金屬柵線寬度w 為80 nm.

3.2 二氧化硅層高度對(duì)光柵偏振性能的影響

圖2 占空比對(duì)光柵偏振性能的影響 (a) 透過(guò)率; (b) 消光比Fig.2.Polarization performance of grating as functions of the grating duty cycle: (a) Transmission; (b) extinction ratio.

將中間層視為一層波導(dǎo), 頂層和底層光柵的表面電磁波在波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生共振, 導(dǎo)致透射異常.二氧化硅層的高度直接影響波導(dǎo)層的厚度, 是影響透射異常的關(guān)鍵參數(shù)之一.保持光柵周期為180 nm, 占空比為0.44, 金屬層高度為60 nm, 氟化鎂層高度為33 nm 不變, 二氧化硅層高度對(duì)光柵偏振透過(guò)率和消光比的影響如圖3 所示.二氧化硅層高度為130 nm 時(shí)消光比達(dá)到第一個(gè)極大值, 同時(shí)TE偏振光透過(guò)率較高, 確定二氧化硅層厚度為130 nm,此時(shí)中間層高度為70 nm.

由圖3 可知, TE 和TM 偏振光透過(guò)率隨二氧化硅層的高度產(chǎn)生周期性振蕩, 二者的透過(guò)率峰值周期由底層和頂層金屬-介質(zhì)腔與雙層光柵構(gòu)成的類F-P 腔組成的復(fù)雜腔體共同決定.二氧化硅層高度對(duì)TE 偏振光透過(guò)率具有較強(qiáng)調(diào)制作用, 表明中間層的高度對(duì)實(shí)現(xiàn)TE 偏振光透射增強(qiáng)起決定性作用.當(dāng)二氧化硅層高度為626 nm 時(shí), TM 和TE 偏振光入射時(shí)的電場(chǎng)分布如圖4 所示.圖4(a)表明TM 偏振光入射時(shí), 金屬-介質(zhì)產(chǎn)生的表面等離子體進(jìn)入底層金屬光柵介質(zhì)腔中, 發(fā)生類F-P共振, 并有少量TM 偏振光進(jìn)入中間層.在中間層中, 空氣腔和二氧化硅腔內(nèi)的共振周期不相同, TM偏振入射時(shí)不能簡(jiǎn)單將中間層等效成一層介質(zhì)波導(dǎo), 其實(shí)際的透過(guò)率峰值由復(fù)雜腔膜效應(yīng)共同調(diào)制.對(duì)于TE 偏振光, 由于鋁光柵在深紫外波段的反常偏振效應(yīng), 入射光被強(qiáng)烈地耦合進(jìn)光柵介質(zhì)中,并在中間層振蕩產(chǎn)生共振(圖4(b)).在中間層其共振整體表現(xiàn)為三個(gè)周期, 出現(xiàn)兩次趨于零的透過(guò)率極小, TE 偏振光透過(guò)率同樣由空氣腔和二氧化硅腔共同調(diào)制.這也是實(shí)際透過(guò)率峰值周期與將其簡(jiǎn)化為類F-P 諧振所計(jì)算的周期存在差距的原因.

圖3 二氧化硅層高度對(duì)光柵偏振性能的影響 (a) 透過(guò)率; (b) 消光比Fig.3.Polarization performance of grating as functions of the silica height: (a) Transmission; (b) Extinction ratio.

圖4 正入射時(shí)光柵截面電場(chǎng)分布 (a) TM 偏振光; (b) TE 偏振光Fig.4.Field distribution of grating cross-section when the light is incident normally: (a) TM-polarized light; (b) TE-polarized light.

3.3 金屬層高度對(duì)光柵偏振性能的影響

將頂層和底層金屬光柵視為類F-P 諧振腔,其腔長(zhǎng)由金屬層高度決定.腔內(nèi)介質(zhì)和入射光波長(zhǎng)一定時(shí), 金屬層高度影響與之匹配的類F-P 腔諧振的模數(shù), 其決定透射峰值周期的個(gè)數(shù).保持光柵周期為180 nm, 占空比為0.44, 中間層高度為70 nm(二氧化硅層高度隨金屬層高度變化), 氟化鎂層厚度為33 nm 不變, 金屬層高度變化對(duì)光柵偏振透過(guò)率和消光比的影響如圖5 所示.在金屬層高度為54 nm 處, 消光比達(dá)到峰值, 且TE 偏振光透過(guò)率較大, 故確定金屬層高度為54 nm.

考慮頂層和底層光柵金屬高度同時(shí)變化、僅頂層光柵金屬高度變化和僅底層光柵金屬高度變化(保持另一金屬高度為54 nm)三種情況.如圖5 所示, TE 和TM 偏振光透過(guò)率均呈周期性振蕩下降趨勢(shì), 且由于金屬間介質(zhì)折射率不同導(dǎo)致振蕩周期不同.其中頂層和底層光柵金屬高度同時(shí)變化情況下, TE 偏振光透過(guò)率呈振蕩下降趨勢(shì), 其振蕩周期由底層和頂層光柵隨金屬高度變化的振蕩周期共同調(diào)制, 且受頂層光柵影響較大; TM 偏振光入射時(shí), 其透過(guò)率振蕩下降的周期與僅頂層光柵金屬高度變化時(shí)的振蕩周期一致, 均為80 nm.TM 偏振光透過(guò)率主要由頂層光柵金屬層高度調(diào)制, 對(duì)于頂層金屬光柵形成的類F-P 腔, 聯(lián)立(3)式—(6)式計(jì)算其腔內(nèi)有效折射率為 1.19 , 類F-P 共振周期為80.7 nm, 理論計(jì)算與數(shù)值仿真結(jié)果一致.

3.4 氟化鎂層高度對(duì)光柵偏振性能的影響

圖5 金屬層高度對(duì)光柵偏振性能的影響 (a) TE 透過(guò)率; (b) TM 透過(guò)率; (c)消光比Fig.5.Polarization performance of grating as functions of the metal layer height: (a) TE transmission; (b) TM transmission; (c) Extinction ratio.

氟化鎂層作為增透膜層, 其厚度直接影響增透效果.通過(guò)上述仿真分析確定光柵周期為180 nm,占空比為0.44, 金屬層高度為54 nm, 中間層高70 nm(二氧化硅層高度為124 nm), 保持以上參數(shù)不變, 氟化鎂層高度變化對(duì)光柵偏振透過(guò)率和消光比的影響如圖6 所示.氟化鎂層高度為48 nm 時(shí),TE 偏振光透過(guò)率為極大值, 同時(shí)消光比較高.因此, 確定氟化鎂層高度為48 nm.未添加氟化鎂介質(zhì)層的TE 偏振透過(guò)率為53.1%, TM 偏振透過(guò)率為1.79 × 10–7, 消光比為54.7 dB; 添加48 nm 氟化鎂介質(zhì)層后, TE 偏振透過(guò)率為56.8%, TM 偏振透過(guò)率為1.55 × 10–7, 消光比為65.6 dB.添加氟化鎂層后, TE 偏振透過(guò)率提高7%, 消光比提高20%.隨著氟化鎂層的增高, TE 偏振光透過(guò)率周期性振蕩, TM 偏振光透過(guò)率在較小的范圍內(nèi)振蕩,且二者振蕩的周期與特征不同, 其原因是TE 偏振光和TM 偏振光在氟化鎂介質(zhì)中的等效折射率不同[38].

圖6 光柵氟化鎂層高度對(duì)偏振性能的影響 (a) 透過(guò)率;(b) 消光比Fig.6.Polarization performance of grating as functions of Magnesium fluoride height: (a) Transmission; (b) Extinction ratio.

3.5 光柵截面場(chǎng)分析

通過(guò)以上仿真分析, 確定雙層金屬光柵周期為180 nm, 占空比為0.44, 二氧化硅光柵層高度為124 nm, 頂層和底層金屬層高度為54 nm, 氟化鎂層高度為48 nm.該結(jié)構(gòu)參數(shù)下, 雙層金屬光柵對(duì)TE 偏振光透射增強(qiáng), TM 偏振光透射被抑制,消光比高, 為進(jìn)一步分析該現(xiàn)象出現(xiàn)的機(jī)制, 對(duì)TE和TM 偏振光入射時(shí)該光柵結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)和坡印廷矢量分布進(jìn)行仿真分析.

圖7 TE 偏振光正入射時(shí)光柵截面場(chǎng)分布 (a) 電場(chǎng)分布; (b) 坡印廷矢量方向(箭頭)和幅度(顏色圖)Fig.7.Field distribution of grating cross-section when TE-polarized light is incident normally: (a) Electric field distribution;(b) Poynting vector direction (arrowheads) and magnitude (color map).

圖8 TM 偏振光正入射時(shí)光柵截面場(chǎng)分布 (a) 瞬時(shí)(箭頭)和時(shí)間平均電場(chǎng)分布; (b) 坡印廷矢量方向(箭頭)和幅度(顏色圖)Fig.8.Field distribution of grating cross-section when TM-polarized light is incident normally: (a) Instantsneous (arrowheads) and time-averaged (color map) electric field distribution; (b) Poynting vector direction (arrowheads) and magnitude (color map).

TE 偏振光入射時(shí), 電場(chǎng)截面分布如圖7(a).光源從基底背向入射, 金屬界面的反射光與入射光在鋁-氟化鎂界面疊加產(chǎn)生駐波.TE 偏振光沒(méi)有垂直金屬界面的電場(chǎng)分量, 不產(chǎn)生表面等離子體, 僅引起沿柵線方向的表面電流.沿入射方向的行波光束與來(lái)自頂層金屬光柵的反射波在介質(zhì)腔中形成駐波, 腔內(nèi)電磁場(chǎng)重新分布, 其中電場(chǎng)能量集中于腔中心, 側(cè)壁上電場(chǎng)很少.坡印廷矢量分布如圖7(b),可以看出, 當(dāng)介質(zhì)腔的寬度大于TE 偏振光的截止寬度時(shí), 進(jìn)入底層介質(zhì)腔中的輻射模式形成駐波,包含整數(shù)個(gè)駐波產(chǎn)生透射增強(qiáng), 并沿著頂層金屬-介質(zhì)界面泄漏, 泄漏波與表面波耦合并沿著金屬-介質(zhì)界面?zhèn)鞑?頂層介質(zhì)腔起到光學(xué)漏斗的作用,收集并引導(dǎo)TE 偏振光進(jìn)入腔內(nèi), 使TE 偏振透射增強(qiáng)[39,40].反常偏振情況下, 在底層光柵金屬層上方的介質(zhì)腔附近, 能流密度出現(xiàn)周期性的相位奇點(diǎn)(圖7(b)), 其對(duì)應(yīng)位置上的時(shí)間平均坡印廷矢量振幅為零, 能流方向或等效相位不確定.相位奇點(diǎn)處的坡印廷矢量方向主要表現(xiàn)為光學(xué)旋渦(a 和b 點(diǎn))或者鞍點(diǎn)(c 和d 點(diǎn))兩種狀態(tài), 其中光學(xué)漩渦能引導(dǎo)更多的能量流以漏斗狀進(jìn)入介質(zhì)腔, 使得TE 偏振光透射增強(qiáng).當(dāng)介質(zhì)寬度略大于截止寬度, 沿對(duì)稱方向的相位奇點(diǎn)陣列湮滅, 將導(dǎo)致更平滑的功率流場(chǎng), 相應(yīng)地TE 偏振光傳輸增強(qiáng)[37].

TM 偏振光入射時(shí), 電場(chǎng)截面分布如圖8(a)所示, 光源從基底背向入射, 經(jīng)底層和頂層光柵連續(xù)衰減, 光柵結(jié)構(gòu)上方的微弱電場(chǎng)表明幾乎沒(méi)有TM 偏振光通過(guò).金屬界面的反射光與入射光在在鋁-氟化鎂界面疊加產(chǎn)生駐波.TM 偏振光入射時(shí),垂直于金屬-介質(zhì)界面的電場(chǎng)分量Ex和Ez使金屬表面產(chǎn)生表面電荷的集體振蕩.當(dāng)入射光波矢與表面等離子體波滿足波矢匹配條件時(shí), 兩電磁波模式強(qiáng)烈耦合, 有效地激發(fā)表面等離子體共振.表面等離子體波沿著界面?zhèn)鞑ゲ⒀剡h(yuǎn)離界面方向呈指數(shù)衰減.由于電場(chǎng)Ez分量在界面上的不連續(xù)性, 移動(dòng)的表面電荷被柵線邊緣阻礙, 在金屬柵線頂角處產(chǎn)生積聚電荷振蕩, 形成電偶極子.表面電荷和電流沿z 向攜帶行波光束進(jìn)入鋁-二氧化硅-鋁組成的類F-P 腔中形成駐波, 腔內(nèi)電荷和電流重新分布,并在底層光柵的鋁-空氣界面頂角處產(chǎn)生更強(qiáng)的電偶極子.如圖8(a)所示, 當(dāng)正負(fù)電荷間以低頻模式相互移動(dòng)時(shí), 在金屬柵線的兩頂角位置分別積累正電荷和負(fù)電荷.正負(fù)電荷間電場(chǎng)線扭曲越小, 集聚在電場(chǎng)中的能量越弱, 從而有效抑制TM 偏振透射[41].如圖8(b)所示, 耦合進(jìn)入二氧化硅層的光在接近底層光柵鋁-氟化鎂界面的位置能流方向內(nèi)旋與入射光方向相反, TM 偏振光被強(qiáng)反射.此外,介質(zhì)腔內(nèi)的能量流更集中地沿腔壁流動(dòng), 并在底層金屬光柵的上表面逐漸衰減, 導(dǎo)致TM 偏振光透過(guò)率低.

光柵制備的工藝誤差會(huì)使實(shí)際光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)偏離理論設(shè)計(jì)值, 并導(dǎo)致光柵透過(guò)率和消光比性能與理論計(jì)算之間產(chǎn)生差異.因此, 需要對(duì)光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的工藝容差進(jìn)行分析, 以評(píng)估所設(shè)計(jì)光柵偏振器的可加工性.通過(guò)以上仿真分析可知, 雙層金屬光柵的占空比、金屬層高度和中間層高度是影響其偏振性能的主要參數(shù).圖9 為光柵偏振性能隨占空比(頂層金屬柵線寬度w)、金屬層高度h 和中間層高度(H1)變化的等高線圖.由圖9(a), 圖9(c)和圖9(e)可知, 在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合變化情況下, TE透過(guò)率均在52%—57%范圍內(nèi), 即TE 透過(guò)率對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的工藝容差較大.如圖9(b), 圖9(d)和圖9(f)虛線框所示, 光柵消光比大于40 dB 的工藝容差為[w, h, H1] = [76—87 nm, 49—61 nm, 66—78 nm],且在整個(gè)光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍內(nèi)([w, h, H1] =[70—90 nm, 44—64 nm, 60—80 nm]), 光柵消光比均達(dá)到30 dB 以上.所設(shè)計(jì)光柵偏振器在較大的工藝誤差范圍內(nèi)均具有良好的偏振性能.對(duì)照浸沒(méi)式光刻機(jī)偏振檢測(cè)精度要求檢偏器的消光比為30 dB, 所設(shè)計(jì)的雙層金屬光柵在較大的工藝容差范圍內(nèi)均能滿足光刻機(jī)偏振檢測(cè)裝置對(duì)檢偏器的性能需求.

圖9 光柵的工藝容差分析 (a), (b)為占空比和金屬層高度分別對(duì)TE 透過(guò)率和消光比的影響; (c), (d)為占空比和中間層高度分別對(duì)TE 透過(guò)率和消光比的影響; (e), (f)為金屬層和中間層高度分別對(duì)TE 透過(guò)率和消光比的影響Fig.9.Fabrication tolerance analysis of grating: (a) and (b) are TE transmission and extinction ratio as function of the grating duty cycle and metal layer height, respectively; (c) and (d) are TE transmission and extinction ratio as function of the grating duty cycle and middle layer height, respectively; (e) and (f) are TE transmission and extinction ratio as function of the grating metal layer height and middle layer height, respectively.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)193 nm 波長(zhǎng)浸沒(méi)式光刻機(jī)對(duì)偏振檢測(cè)裝置小型化和快速、高精度檢測(cè)需求, 將雙層金屬光柵偏振器引入偏振檢測(cè)系統(tǒng).基于共振域光柵的反常偏振效應(yīng)和雙層金屬光柵對(duì)TE 偏振光的透射增強(qiáng), 采用嚴(yán)格耦合波理論和有限時(shí)域差分方法, 利用表面等離子體共振對(duì)TM 偏振光透射的抑制作用, 同時(shí)控制雙層金屬光柵中形成類F-P 諧振腔腔長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)TM 偏振光的透射抑制和TE 偏振光的透射增強(qiáng), 確定雙層金屬光柵的初始結(jié)構(gòu)參數(shù).在此基礎(chǔ)上, 分析了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)該光柵偏振器偏振透過(guò)率和消光比的影響, 優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種工作波長(zhǎng)為193 nm 的雙層金屬光柵偏振器.所設(shè)計(jì)的雙層金屬光柵偏振器周期為180 nm,占空比為0.44, 二氧化硅層高度為124 nm, 金屬層高度為54 nm, 氟化鎂層高度為48 nm.數(shù)值仿真結(jié)果表明, TE 偏振光入射到底層光柵介質(zhì)腔內(nèi)時(shí)形成駐波并產(chǎn)生透射增強(qiáng), 然后沿著金屬-介質(zhì)界面進(jìn)入頂層光柵形成的光學(xué)漏斗, 其透射光被進(jìn)一步增強(qiáng); 而當(dāng)TM 偏振光入射時(shí), 由于激發(fā)表面等離子體共振的電荷分布為低頻模式, 較弱的電場(chǎng)能量使得TM 偏振透射被強(qiáng)抑制, 最后經(jīng)頂層光柵連續(xù)衰減后幾乎沒(méi)有TM 偏振光透過(guò); 該偏振器在193 nm 波長(zhǎng)下的TE 偏振光透過(guò)率為56.8%, 消光比為65.6 dB.相比于現(xiàn)有的同波段金屬光柵偏振器, 所設(shè)計(jì)的光柵偏振器可實(shí)現(xiàn)在保證高透過(guò)率的同時(shí), 消光比提升了四個(gè)數(shù)量級(jí).結(jié)構(gòu)參數(shù)分析表明, 該光柵偏振器在較大的工藝容差范圍內(nèi)均能滿足光刻機(jī)偏振檢測(cè)裝置對(duì)檢偏器的性能需求.