深紫外雙層金屬光柵偏振器的設計與分析*

吳芳 步揚? 劉志帆 王少卿 李思坤 王向朝

1) (中國科學院上海光學精密機械研究所, 信息光學與光電技術實驗室, 上海 201800)

2) (中國科學院大學, 材料與光電研究中心, 北京 100049)

3) (上海大學機電工程與自動化學院, 上海 200444)

193 nm 波長浸沒式步進掃描投影光刻機是實現45 nm 及以下技術節點集成電路制造的核心裝備.增大數值孔徑是提高光刻分辨率的有效途徑, 而大數值孔徑曝光系統的偏振性能嚴重影響光刻成像質量.光刻機曝光系統偏振參數的高精度檢測是對其進行有效調控的前提.基于光柵的偏振檢測技術能實現浸沒式光刻機偏振檢測裝置的小型化, 滿足其快速、高精度在線檢測的需求, 該技術中的關鍵部件是結構緊湊且偏振性能良好的光柵.本文基于反常偏振效應和雙層金屬光柵對TE 偏振光的透射增強原理, 采用嚴格耦合波理論和有限時域差分方法, 設計了一種雙層金屬光柵偏振器.計算了該偏振器的初始結構參數, 并通過數值仿真得到了其偏振性能關于各光柵參數的變化關系.仿真結果表明, 中間層高度是影響TE 偏振光透射增強的主要因素; 垂直入射時TE 偏振光的透過率可達到56.8%, 消光比高達65.6 dB.與現有同波段金屬光柵偏振器相比, 所設計的光柵偏振器在保證高透過率的同時, 消光比提升了四個數量級.

1 引 言

隨著大規模集成電路制造工藝發展到45 nm及以下技術節點, 步進掃描投影光刻機必須使用大數值孔徑曝光系統.大數值孔徑條件下, 曝光系統的偏振性能對光刻成像對比度、光刻工藝窗口和掩模誤差增強因子等指標的影響不可忽略, 其嚴重影響光刻成像質量, 且隨技術節點的縮減愈加明顯[1?4].對曝光系統偏振參數進行有效調控的前提是實現其偏振參數的高精度檢測.通常在光刻機的掩模面或硅片面進行曝光系統的偏振參數檢測.旋轉波片法是光刻機曝光系統偏振參數檢測的常用方法, 其檢測裝置主要由光學成像單元、四分之一波片、檢偏器和探測器組成[5?8].基于旋轉波片法的浸沒式光刻機偏振檢測系統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元件距離足夠長以實現偏振分束, 難以實現小型化.在檢測過程中,旋轉波片法需要驅動裝置控制波片旋轉, 這使得整個檢測裝置結構復雜、體積龐大.以NA1.35 步進掃描投影光刻機曝光系統為例, 其掩模面與照明系統最后一個單元(均勻性校正單元)的縱向距離僅53 mm, 旋轉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裝置.此外, 浸沒式光刻機偏振檢測精度要求DOP(3σ) < 0.3%, 數值計算表明此時要求檢偏器的消光比達到30 dB 以上.為滿足浸沒式光刻機偏振檢測系統的小型化和快速、高精度檢測需求, 實現插入式偏振檢測, 具有優越偏振性能且體積小、易集成的偏振器是其關鍵.

金屬光柵偏振器可在較寬光譜范圍內實現高消光比和高透過率, 且具有體積小、易集成化、設計靈活等特點, 已被廣泛應用于可見光和紅外光學系統[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]發現在金屬光柵偏振器的共振域存在反常偏振現象, 即TE 偏振光的傳輸效率高于TM 偏振光.Kang 等[16,17]基于亞波長金屬光柵的反常偏振效應, 提出深紫外鋁-二氧化硅混合光柵, 在196 nm 波長下透過率為30%, 消光比為35 dB.張沖等[18]提出一種深紫外介質-金屬光柵偏振器, 在193 nm 波長下透過率為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率, 無法滿足浸沒式光刻機曝光系統對偏振檢測裝置的需求.而雙層金屬光柵具有更加優越的偏振性能且其制作方法簡單, 工藝容差要求和成本較低, 且對TE 偏振光有異常透射作用[19?21].在可見光和紅外波段, 研究者利用雙層金屬光柵中TM 偏振光入射時表面等離子體激元耦合共振,以及雙層金屬光柵內形成類Fabry-Perot 腔諧振增強效果, 實現對TE 偏振光透射的增強[22,23], 但在深紫外波段的設計鮮有報道.

本文針對193 nm 波長浸沒式光刻機偏振檢測裝置高精度、小型化和低成本需求, 將金屬光柵共振域的反常偏振效應和雙層金屬光柵對TE 偏振光的異常透射特性結合, 基于嚴格耦合波(rigorous coupled-wave analysis, RCWA)和時域有限差分方法(finite-difference time-domain, FDTD)設計一種透射式雙層金屬光柵偏振器.利用TM偏振光入射時在不同金屬-介質界面產生的表面等離子體共振效應和雙層金屬光柵結構中形成的類F-P 腔諧振增強機理, 確定光柵的初始結構參數.分析雙層金屬光柵占空比、介質層厚度、金屬層厚度等結構參數對偏振透過率和消光比的影響, 在此基礎上對各結構參數進行優化.通過在雙層金屬光柵和基底間添加一定厚度的氟化鎂介質層進一步提高該光柵的偏振性能.不同偏振光入射條件下,對所設計光柵的截面場分布進行了分析, 以確定該結構偏振性能產生的物理機制.

2 雙層金屬光柵理論模型

雙層金屬光柵偏振器結構如圖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的鋁.光柵主要參數包括: 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, 二氧化硅介質層厚度H 和氟化鎂介質層厚度h1.光源波長為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構示意圖Fig.1.Schematic diagram of bilayer metallic grating polarizer.

光柵周期是影響光柵偏振性能的關鍵參數之一.當光柵周期遠小于入射波長時稱為亞波長光柵, 此時透射光波中只有零級衍射光波, 其他級次的衍射光波均為倏逝波.當光柵周期介于入射波長的一半到兩倍之間時為光柵的共振域, 共振域光柵會出現瑞利-伍德異常現象[15], 此時m 級衍射光的衍射角達到90°(即沿光柵表面傳播), 引起衍射波能量在其他衍射級次上重新分布, 透射光強會呈現尖銳的變化.該異常發生條件為

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

深紫外波段常用基底材料是熔石英和氟化鎂.波長為193 nm 時, 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, 當基底厚度較大時, 基底吸收不可忽略,導致透過率降低.為保證高透過率, 光柵基底選擇為熔石英.為得到高衍射效率和高偏振, 要求只存在零級衍射光, 同時根據瑞利-伍德異常條件, 計算光柵周期應小于193 nm.

表面等離子體激元會影響金屬光柵TM 偏振光的透過率[24?30].反常偏振條件下, 利用表面等離子體共振對TM 偏振光透射的強抑制作用, 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分量, 使金屬產生表面電荷, 當入射光波矢和表面等離子波的波矢相匹配時, 兩種電磁波模式發生強烈地耦合激發表面等離子體波, 產生表面等離子體共振.共振條件為[31]

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

當入射波長接近表面等離子體共振波長時, 光柵產生透射異常.當共振波長為193 nm 時, 在鋁-空氣界面和鋁-氟化鎂界面產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會偏離透射光譜的峰谷位置,即表面等離子體共振產生異常透射的對應波長存在偏離共振波長的情況[32].此外, 只產生零級衍射光時要求光柵周期小于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.

對于TM 偏振光入射進入底層金屬光柵中, 鋁-二氧化硅-鋁腔形成金屬-介質-金屬縫隙波導.當滿足波矢匹配條件時, 波導中TM 偏振光的光學模式在其界面轉化成表面等離子體激元模式.表面等離子體激元在波導中的色散方程為[33]

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

金屬-介質-金屬波導類似于一個F-P 諧振腔,TM 偏振光入射到金屬表面產生表面等離子體波,并在腔內產生駐波.光柵深度調制波導內包含駐波周期的個數, 進而調制其透射光譜產生周期性變化.當光柵深度為駐波周期的非整數倍時, 出射面金屬頂角產生更強的電偶極子, 此時入射面金屬的電荷很少, TM 偏振光的透過率降低[34].根據類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 腔內電磁波傳播常數; ? 為腔內反射產生的附加相移修正項, 反映了入射波長和基底介電常數等對類F-P 腔長度的影響, 當腔體結構確定時, ? 為定值.

TM 偏振光入射時, 聯立(3)式—(5)式計算底層金屬光柵形成的類F-P 腔中, 腔內有效折射率為2.25.m = 1 時, 忽略修正項, 共振周期為42.8 nm.TE 偏振光沒有垂直于金屬表面的電場分量, 無法滿足耦合條件, 不產生表面等離子體激元, 計算m = 1 時共振周期為61.7 nm.為使TE 偏振光透射增強, 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, 介質腔存在截止寬度[35,36].當介質腔寬度小于 λ /2n 時, TE 偏振光透射截止(n 為腔內折射率).此外, 在截止寬度附近存在一個介質寬度使TE 偏振光透射增強, 且在狹縫附近的能流密度呈現出光學漩渦和其他類型的相位奇異性[37].TE 偏振光入射, 介質分別為二氧化硅和空氣時的金屬光柵介質腔截止寬度分別為61.7 nm和96.5 nm.為保證TE 偏振光的高透過率, 取w初始寬度為84 nm, 即占空比為0.47.

根據“膜系統”方法, 可將雙層金屬光柵的介質-空氣中間層等效為一層均勻電介質, 視為一層波導, 計算中間層兩相介質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.

將雙層金屬光柵結構等效成頂層為金屬-空氣層, 中間層為波導層, 底層為金屬-介質層, 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].通過底層光柵傳輸的光波在頂層光柵處產生部分反射, 并在中間層多次反射后產生干涉.其中間層高度根據使TE 偏振光入射時在該類F-P 腔中產生共振增強確定.當m = 1 時, 計算共振周期為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厚度的氟化鎂介質層, 起到減反增透的效果, 進一步提高器件透過率[38].當膜層的光學厚度為 λ /4 時增透效果最好, 故氟化鎂介質層初始高度設置為33 nm.

根據瑞利-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TE 偏振光在介質腔內的截止寬度, 確定初始占空比為0.47;根據頂層和底層金屬光柵層中金屬-介質-金屬結構形成的類F-P 腔諧振, 確定金屬層初始厚度為60 nm;根據將頂層和底層金屬光柵間的中間層等效為一層波導, 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; 根據增透膜層原理, 確定氟化鎂介質層初始高度為33 nm.根據以上雙層金屬光柵的初始結構參數, 利用Lumerical FDTD Solutions 進行數值仿真, 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.結合數值仿真結果對光柵各結構參數進行優化, 并對其偏振透射增強產生的物理機制進行驗證與分析.

3 結果與分析

3.1 占空比對光柵偏振性能的影響

根據第2 節初始參數設計, 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.占空比變化對光柵偏振透過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 偏振光透過率先增大后減小, 占空比大于0.8 時, 出現正常偏振現象,即TM 偏振光透過率大于TE 偏振光透過率; TM偏振光透過率整體較小, 在占空比為0.44 處取得極小值, 此時消光比為極大值.故取占空比為0.44,對應的頂層金屬柵線寬度w 為80 nm.

3.2 二氧化硅層高度對光柵偏振性能的影響

圖2 占空比對光柵偏振性能的影響 (a) 透過率; (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, 頂層和底層光柵的表面電磁波在波導內產生共振, 導致透射異常.二氧化硅層的高度直接影響波導層的厚度, 是影響透射異常的關鍵參數之一.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, 二氧化硅層高度對光柵偏振透過率和消光比的影響如圖3 所示.二氧化硅層高度為130 nm 時消光比達到第一個極大值, 同時TE偏振光透過率較高, 確定二氧化硅層厚度為130 nm,此時中間層高度為70 nm.

由圖3 可知, TE 和TM 偏振光透過率隨二氧化硅層的高度產生周期性振蕩, 二者的透過率峰值周期由底層和頂層金屬-介質腔與雙層光柵構成的類F-P 腔組成的復雜腔體共同決定.二氧化硅層高度對TE 偏振光透過率具有較強調制作用, 表明中間層的高度對實現TE 偏振光透射增強起決定性作用.當二氧化硅層高度為626 nm 時, TM 和TE 偏振光入射時的電場分布如圖4 所示.圖4(a)表明TM 偏振光入射時, 金屬-介質產生的表面等離子體進入底層金屬光柵介質腔中, 發生類F-P共振, 并有少量TM 偏振光進入中間層.在中間層中, 空氣腔和二氧化硅腔內的共振周期不相同, TM偏振入射時不能簡單將中間層等效成一層介質波導, 其實際的透過率峰值由復雜腔膜效應共同調制.對于TE 偏振光, 由于鋁光柵在深紫外波段的反常偏振效應, 入射光被強烈地耦合進光柵介質中,并在中間層振蕩產生共振(圖4(b)).在中間層其共振整體表現為三個周期, 出現兩次趨于零的透過率極小, TE 偏振光透過率同樣由空氣腔和二氧化硅腔共同調制.這也是實際透過率峰值周期與將其簡化為類F-P 諧振所計算的周期存在差距的原因.

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

圖4 正入射時光柵截面電場分布 (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,其腔長由金屬層高度決定.腔內介質和入射光波長一定時, 金屬層高度影響與之匹配的類F-P 腔諧振的模數, 其決定透射峰值周期的個數.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, 金屬層高度變化對光柵偏振透過率和消光比的影響如圖5 所示.在金屬層高度為54 nm 處, 消光比達到峰值, 且TE 偏振光透過率較大, 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 偏振光透過率均呈周期性振蕩下降趨勢, 且由于金屬間介質折射率不同導致振蕩周期不同.其中頂層和底層光柵金屬高度同時變化情況下, TE 偏振光透過率呈振蕩下降趨勢, 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制, 且受頂層光柵影響較大; TM 偏振光入射時, 其透過率振蕩下降的周期與僅頂層光柵金屬高度變化時的振蕩周期一致, 均為80 nm.TM 偏振光透過率主要由頂層光柵金屬層高度調制, 對于頂層金屬光柵形成的類F-P 腔, 聯立(3)式—(6)式計算其腔內有效折射率為 1.19 , 類F-P 共振周期為80.7 nm, 理論計算與數值仿真結果一致.

3.4 氟化鎂層高度對光柵偏振性能的影響

圖5 金屬層高度對光柵偏振性能的影響 (a) TE 透過率; (b) TM 透過率; (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), 保持以上參數不變, 氟化鎂層高度變化對光柵偏振透過率和消光比的影響如圖6 所示.氟化鎂層高度為48 nm 時,TE 偏振光透過率為極大值, 同時消光比較高.因此, 確定氟化鎂層高度為48 nm.未添加氟化鎂介質層的TE 偏振透過率為53.1%, TM 偏振透過率為1.79 × 10–7, 消光比為54.7 dB; 添加48 nm 氟化鎂介質層后, TE 偏振透過率為56.8%, TM 偏振透過率為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 偏振光透過率周期性振蕩, TM 偏振光透過率在較小的范圍內振蕩,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中的等效折射率不同[38].

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

3.5 光柵截面場分析

通過以上仿真分析, 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.該結構參數下, 雙層金屬光柵對TE 偏振光透射增強, TM 偏振光透射被抑制,消光比高, 為進一步分析該現象出現的機制, 對TE和TM 偏振光入射時該光柵結構的電磁場和坡印廷矢量分布進行仿真分析.

圖7 TE 偏振光正入射時光柵截面場分布 (a) 電場分布; (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 偏振光正入射時光柵截面場分布 (a) 瞬時(箭頭)和時間平均電場分布; (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, 電場截面分布如圖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-氟化鎂界面疊加產生駐波.TE 偏振光沒有垂直金屬界面的電場分量, 不產生表面等離子體, 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自頂層金屬光柵的反射波在介質腔中形成駐波, 腔內電磁場重新分布, 其中電場能量集中于腔中心, 側壁上電場很少.坡印廷矢量分布如圖7(b),可以看出, 當介質腔的寬度大于TE 偏振光的截止寬度時, 進入底層介質腔中的輻射模式形成駐波,包含整數個駐波產生透射增強, 并沿著頂層金屬-介質界面泄漏, 泄漏波與表面波耦合并沿著金屬-介質界面傳播.頂層介質腔起到光學漏斗的作用,收集并引導TE 偏振光進入腔內, 使TE 偏振透射增強[39,40].反常偏振情況下, 在底層光柵金屬層上方的介質腔附近, 能流密度出現周期性的相位奇點(圖7(b)), 其對應位置上的時間平均坡印廷矢量振幅為零, 能流方向或等效相位不確定.相位奇點處的坡印廷矢量方向主要表現為光學旋渦(a 和b 點)或者鞍點(c 和d 點)兩種狀態, 其中光學漩渦能引導更多的能量流以漏斗狀進入介質腔, 使得TE 偏振光透射增強.當介質寬度略大于截止寬度, 沿對稱方向的相位奇點陣列湮滅, 將導致更平滑的功率流場, 相應地TE 偏振光傳輸增強[37].

TM 偏振光入射時, 電場截面分布如圖8(a)所示, 光源從基底背向入射, 經底層和頂層光柵連續衰減, 光柵結構上方的微弱電場表明幾乎沒有TM 偏振光通過.金屬界面的反射光與入射光在在鋁-氟化鎂界面疊加產生駐波.TM 偏振光入射時,垂直于金屬-介質界面的電場分量Ex和Ez使金屬表面產生表面電荷的集體振蕩.當入射光波矢與表面等離子體波滿足波矢匹配條件時, 兩電磁波模式強烈耦合, 有效地激發表面等離子體共振.表面等離子體波沿著界面傳播并沿遠離界面方向呈指數衰減.由于電場Ez分量在界面上的不連續性, 移動的表面電荷被柵線邊緣阻礙, 在金屬柵線頂角處產生積聚電荷振蕩, 形成電偶極子.表面電荷和電流沿z 向攜帶行波光束進入鋁-二氧化硅-鋁組成的類F-P 腔中形成駐波, 腔內電荷和電流重新分布,并在底層光柵的鋁-空氣界面頂角處產生更強的電偶極子.如圖8(a)所示, 當正負電荷間以低頻模式相互移動時, 在金屬柵線的兩頂角位置分別積累正電荷和負電荷.正負電荷間電場線扭曲越小, 集聚在電場中的能量越弱, 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旋與入射光方向相反, TM 偏振光被強反射.此外,介質腔內的能量流更集中地沿腔壁流動, 并在底層金屬光柵的上表面逐漸衰減, 導致TM 偏振光透過率低.

光柵制備的工藝誤差會使實際光柵的結構參數偏離理論設計值, 并導致光柵透過率和消光比性能與理論計算之間產生差異.因此, 需要對光柵結構參數的工藝容差進行分析, 以評估所設計光柵偏振器的可加工性.通過以上仿真分析可知, 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.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, 在不同結構參數組合變化情況下, TE透過率均在52%—57%范圍內, 即TE 透過率對結構參數的工藝容差較大.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],且在整個光柵結構參數變化范圍內([w, h, H1] =[70—90 nm, 44—64 nm, 60—80 nm]), 光柵消光比均達到30 dB 以上.所設計光柵偏振器在較大的工藝誤差范圍內均具有良好的偏振性能.對照浸沒式光刻機偏振檢測精度要求檢偏器的消光比為30 dB, 所設計的雙層金屬光柵在較大的工藝容差范圍內均能滿足光刻機偏振檢測裝置對檢偏器的性能需求.

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TE 透過率和消光比的影響; (c), (d)為占空比和中間層高度分別對TE 透過率和消光比的影響; (e), (f)為金屬層和中間層高度分別對TE 透過率和消光比的影響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 論

本文針對193 nm 波長浸沒式光刻機對偏振檢測裝置小型化和快速、高精度檢測需求, 將雙層金屬光柵偏振器引入偏振檢測系統.基于共振域光柵的反常偏振效應和雙層金屬光柵對TE 偏振光的透射增強, 采用嚴格耦合波理論和有限時域差分方法, 利用表面等離子體共振對TM 偏振光透射的抑制作用, 同時控制雙層金屬光柵中形成類F-P 諧振腔腔長以實現對TM 偏振光的透射抑制和TE 偏振光的透射增強, 確定雙層金屬光柵的初始結構參數.在此基礎上, 分析了各結構參數對該光柵偏振器偏振透過率和消光比的影響, 優化設計了一種工作波長為193 nm 的雙層金屬光柵偏振器.所設計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.數值仿真結果表明, TE 偏振光入射到底層光柵介質腔內時形成駐波并產生透射增強, 然后沿著金屬-介質界面進入頂層光柵形成的光學漏斗, 其透射光被進一步增強; 而當TM 偏振光入射時, 由于激發表面等離子體共振的電荷分布為低頻模式, 較弱的電場能量使得TM 偏振透射被強抑制, 最后經頂層光柵連續衰減后幾乎沒有TM 偏振光透過; 該偏振器在193 nm 波長下的TE 偏振光透過率為56.8%, 消光比為65.6 dB.相比于現有的同波段金屬光柵偏振器, 所設計的光柵偏振器可實現在保證高透過率的同時, 消光比提升了四個數量級.結構參數分析表明, 該光柵偏振器在較大的工藝容差范圍內均能滿足光刻機偏振檢測裝置對檢偏器的性能需求.