计量光栅均匀性误差的研究

　　计量光栅的技术指标主要有二个,即刻划精度和均匀性误差。然而在计量光栅的制造过程中,人们多比较重视精度指标而往往忽视了均匀性,实际上二者均是必不可少的。实践已经证明,光栅的均匀性直接影响光电脉冲信号的相位精度而引起测量误差,而且在某种程度上,它的误差影响往往比刻划精度所带来的影响还要大。因此,在许多情况下,为了提高光栅系统的测量精度,必须重视和提高光栅的均匀性。本文着重对计量光栅光刻工艺中产生均匀性误差的主要因素及其相应的控制措施进行分析讨论。

　　1　均匀性误差

　　所谓均匀性误差是指计量光栅刻线区内透光量的不均匀所造成的定位误差。它主要由栅线黑白比的变化、光密度(OD)的不一致和表面疵病三部分组成,三者的量值不相同,但又互有关联。其中的黑白比是指相邻暗栅线和明栅线的宽度之比,其比值R一般为b/a=1±10% (b为暗栅线宽度、a为明栅线宽度),高精度光栅的R值的变化通常控制在±5%以内。引起黑白比变化的因素主要是栅线宽度的不一致性、栅线边缘的清晰程度及直线性和歪线等。透射光栅的光密度是指栅线的不透明程度,通常用栅线透过率倒数的常用对数表示;反射光栅的光密度是指栅线对入射光线的反射程度,用栅线反射率倒数的常用对数表示。在光栅测量范围内,栅线光密度变化率$(OD)为

刻线区内铬膜厚度的不均匀性、断线和“针孔”等都会引起光密度的变化。表面疵病主要是指毛坯平面度的变化和明栅线中的暗点(毛坯表面气泡、划痕和铬点)等。

　　均匀性误差在实际应用中是用莫尔条纹电信号的直流电平的变化率来反映的。直流电平变化率DI0表示的是直流电平在光栅全长上的变化程度,其量度为:

式中各值的关系如图1所示。

　　2　曝光对均匀性误差的影响

　　在计量光栅光刻工艺中,目前主要是采用单元模版曝光拼接的方法。其中单元模版是根据一块光栅盘(或一根光栅尺)线纹总数并结合刻划机最小分度值,采用特殊手段预先制备的一个单元或多个单元的标准线纹;曝光拼接即是首先在玻璃坯料表面(镀有铬膜或无铬膜)涂敷一层光刻胶膜,然后借助于刻划机的精密定位,用曝光装置(或称光刻头)将单元模版上的光栅线纹一个单元接一个单元以潜影的方式影印在光刻胶膜上,那么感光后的潜影再经过显影等处理,就得到了所需的光栅线纹。

　　曝光方式依据光刻头结构的不同,常用的有接触式、接近式和投影式三种。接触式曝光是单元模版与光刻胶膜静态接触,由光源射出的光线通过单元模版上的透光部分到达胶面,致使光刻胶中的光敏物质感光。虽然接触式每曝光一次可以影印几十条或几百条线纹,效率很高,并且可以重复曝光以减少随机误差,但由于灰尘杂质等的垫起而易引起单元模版与胶膜接触不良,形成光的衍射,致使光栅线纹扩散边缘变“毛”,产生误差曲线突跳而影响刻划精度和均匀性。为了解决这种垫起现象,我们在工作中将涂胶置于超净工作台内进行,以减少在涂胶过程中外界灰尘杂质对光刻胶的污染。并注意对光刻胶的纯化,即去掉胶中的杂质和凝聚颗粒,同时也注意保持室内的空气净化度。在采取如上措施后,由垫起现象所引起的均匀性误差可控制在2%以内。