具有刻蚀深度在线检测机构的衍射光学元件扫描刻蚀装置

摘要

本发明涉及具有刻蚀深度在线检测机构的衍射光学元件扫描刻蚀装置。解决了现有装置无法实现刻蚀深度在线检测的问题。通过对原有的扫描式离子束刻蚀装置的改进，在真空室内的平移工作台一侧设陪片；在离子束阑上设石墨挡板；平移工作台和观察窗口之间设有一对光学平面反射镜；在真空室外、与观察窗口对应方向上依次设有分束镜、凸透镜、面阵摄像头和计算机，分束镜一侧设有激光光源。本发明能够有效实现衍射光学元件扫描式离子束刻蚀过程中刻蚀深度的在线测量，可以在线、动态调整离子束刻蚀时间，能够一次性、准确地达到理论设计的刻蚀深度。本发明能够测量的刻蚀深度从五六十纳米直到七百纳米左右，基本上涵盖了“亚微米”这一尺度范围。

权利要求

1.具有刻蚀深度在线检测机构的衍射光学元件扫描刻蚀装置，包括带有观察窗口的真空室、离子源、离子束阑和平移工作台，平移工作台的工作台面内设有待刻蚀的光学基片，且工作台面的法线与观察窗口的法线近似平行，离子源发射出的离子束方向与工作台面的法线近似平行，其特征在于：平移工作台的台面上的设置了待刻蚀的光学基片的平面内在待刻蚀的光学基片的下方设有一块陪片；

一块石墨挡板固定设于离子束阑上，石墨挡板上端边缘的高度位于陪片中央处；

平移工作台和观察窗口之间设有呈潜望镜式光路设置的一对光学平面反射镜；

真空室外、与观察窗口对应方向上依次设有一块分束镜、一块凸透镜、一个面阵CCD摄像头，面阵CCD摄像头连接着计算机图像采集与处理系统，分束镜的没有设置上述凸透镜、面阵CCD摄像头的另一侧对应设有激光光源。

2.根据权利要求1所述的具有刻蚀深度在线检测机构的衍射光学元件扫描刻蚀装置，其特征在于：所述陪片为圆形薄片或方形薄片，厚度为2-5毫米，前后两个表面之间不平行夹角范围为30-60秒，圆形陪片直径为20-30毫米，方形陪片面积不小于4平方厘米。

3.根据权利要求1所述的具有刻蚀深度在线检测机构的衍射光学元件扫描刻蚀装置，其特征在于：所述石墨挡板为矩形薄片，尺寸为200mm×45mm×3.5mm，石墨挡板的上端边缘与平移工作台的平移方向平行。

4.根据权利要求1所述的具有刻蚀深度在线检测机构的衍射光学元件扫描刻蚀装置，其特征在于：所述激光光源为可提供直径为10-15毫米的平行激光束的激光光源。

说明书

具有刻蚀深度在线检测机构的衍射光学元件扫描刻蚀装置

技术领域

[0001] 本发明涉及衍射光学、微细加工等科学技术领域，具体涉及一种用于衍射光学元件加工制作的、具有刻蚀深度在线检测功能的扫描式离子束刻蚀装置。

背景技术

[0002] 离子束刻蚀工艺，在衍射光学元件、二元光学元件和其他微结构的制作等方面发挥了重要作用。早期的离子束刻蚀工艺中，是通过预先设定刻蚀时间来控制材料的刻蚀深度的。这种做法得以奏效的前提是材料的刻蚀速率在每次的刻蚀过程中差不多相等。但是，由于离子束刻蚀过程非常复杂，很多不确定因素都会影响材料的刻蚀特性，使得实际的刻蚀速率不会一直很稳定。如果只是简单地通过设定刻蚀时间来控制刻蚀深度，则不可能根据实际刻蚀情况的变化去动态、实时地调整刻蚀时间来控制刻蚀深度。而对于衍射光学元件(如光栅)而言，纳米量级的刻蚀深度误差都有可能严重地影响元件的衍射特性。在实际刻蚀过程中，为了减小误差，对每个目标深度都需要采用多次刻蚀、逐次逼近的方法进行刻蚀，具体步骤是：(1)先根据以往的刻蚀速率设定时间进行刻蚀，直到目标深度的80％左右暂停；(2)将被刻蚀的光学基片从真空室取出，用接触式测量仪器去直接测量其边缘处的实际刻蚀深度，从而知道与目标深度的差距(不妨称为剩余刻蚀深度)；(3)然后再接着进行刻蚀，直到剩余刻蚀深度的80％左右暂停刻蚀；(4)将被刻蚀的光学基片从真空室取出，测量其实际刻蚀深度，从而知道此时的剩余刻蚀深度；(5)重复步骤3和4，直至实际刻蚀深度达到要求。由于离子束刻蚀过程需要在真空条件下进行，所以每次刻蚀之前都要经过几个小时的抽真空过程；另外，多次使用接触式测量仪器会减小光学基片的有效使用面积；还有，将光学基片(尤其是大口径光学元件)在刻蚀机真空室和测量仪器之间多次来回搬运，既费时费力，又容易发生损伤，因此，这种用刻蚀时间控制刻蚀深度的方法，大大限制了制作周期和制作成本。这一问题，在制作需要多次套刻的多台阶二元光学元件时，显得尤为突出。

[0003] 近二十年来，针对刻蚀深度的控制或监测这一课题，国内外有不少研究成果，在市场上已经出现用于某些类型刻蚀工艺的刻蚀深度监测商用产品。这些研究成果所依据的原理不尽相同，主要分为四种：光发射谱(optical emission spectroscopy)，质谱(mass spectrometry)，椭偏光测量术(ellipsometry)，反射式激光干涉法(laser interferometry/reflectometry)，其中第四种使用的最为普遍。但是，所有这些方法以及商业产品都是针对半导体材料(如SiO2，GaAs，InGaAs等)刻蚀工艺的，需要利用到半导体材料的物理特性，它们广泛应用于超大规模集成电路的制造当中。而如果刻蚀材料为非半导体材料，如石英、玻璃等光学基片，它们就不再适用了。

[0004] 到目前为止，在国外已经公开的文献中，没有见到对光学元件刻蚀过程进行刻蚀深度监测的报道。

[0005] 在国内，针对衍射光学元件的刻蚀深度在线监测问题，赵光兴等人发表了非常重要的研究成果。他们采用与被刻蚀的光学基片材料相同的透明楔形薄片作为陪片，通过监测陪片的等厚干涉条纹在刻蚀过程中随陪片厚度减小而产生的移动情况，来获取正式基片的刻蚀深度(文献[1]赵光兴，陈洪，侯西云，等.微加工中一种新型刻蚀深度实时检测系统.光学学报，1997，17(6)：745-749.文献[2]Zhao Guangxing，Yang Guoguang，ChenHongqiu.Study on the sensitive element of ion beam etching depth.Measurement，2000，27：287-289.)。他们在实际的刻蚀装置上搭建了一个刻蚀深度实时检测系统，采用上述方法进行刻蚀深度在线检测，达到了0.98％的测量精度。但是，该方法不能用于扫描式离子束刻蚀工艺的刻蚀深度监测。因为，该方法直接测量的是，陪片上下表面的干涉条纹随陪片厚度减小而产生的移动，该方法要求陪片在整个刻蚀过程中保持静止不动。而扫描式离子束刻蚀工艺，是指采用长条形离子源，让需要刻蚀的光学基片随着工作台沿离子源的短边方向进行往返匀速运动，来回反复穿过离子束流区域，从而得到均匀的刻蚀。在扫描式刻蚀工艺当中，陪片必须随着正式基片一起作往返运动，不可能保持静止不动。扫描式离子束刻蚀，目前是制作大口径衍射光学元件所使用的主要刻蚀工艺。然而，扫描式离子束刻蚀过程的刻蚀深度在线检测方法，尚未在文献中见到。

发明内容

[0006] 为了解决现有扫描式离子束刻蚀装置无法实现刻蚀深度在线检测的问题，本发明提供一种具有刻蚀深度在线检测机构的衍射光学元件扫描刻蚀装置。

[0007] 本发明的技术解决方案如下：

[0008] 本发明所述的具有刻蚀深度在线检测机构的衍射光学元件扫描刻蚀装置，是在原有的扫描式离子束刻蚀装置上进行改进、增添一些机构而得到的。该原有的扫描式离子束刻蚀装置，其主要组成部分包括带有观察窗口的真空室、离子源和离子束阑，以及平移工作台。其中，平移工作台能在+x和-x方向移动，它的法线与刻蚀机观察窗口的法线基本平行。

[0009] 其改进在于：

[0010] 平移工作台的台面上设置一块陪片，位于待刻蚀的光学基片的下方；将与正式光学基片一起进行扫描式离子束刻蚀；

[0011] 一块石墨挡板固定设于离子束阑上，石墨挡板上端边缘的高度位于陪片中央处；

[0012] 平移工作台和观察窗口之间设有一对光学平面反射镜，并由一可调节高度和角度的支架进行夹持；

[0013] 真空室外、与观察窗口对应方向上依次设有一块分束镜、一块凸透镜、一个面阵CCD摄像头(以下简称CCD)，摄像头连接着计算机图像采集与处理系统，分束镜一侧对应设有激光光源，并保证截面直径约为10-15毫米的平行激光束经分束镜反射后，可以穿过刻蚀机窗口并且近似垂直地入射到工作台表面。

[0014] 所述陪片为圆形薄片或方形薄片，厚度为2-5毫米，前后两个表面之间不平行夹角范围为30-60秒，陪片直径为20-30毫米，或面积不小于4平方厘米。

[0015] 所述石墨挡板为矩形薄片，尺寸为200mm×45mm×3.5mm。

[0016] 所述激光光源为可提供直径为10-15毫米的平行激光束的激光光源。

[0017] 所述一对光学平面反射镜放置成潜望镜式光路，用来改变入射光束的高度，使其可以照射到陪片表面。

[0018] 陪片固定于工作台上，入射光束被其前后两个表面反射后，经一对光学平面反射镜的反射之后穿过刻蚀机窗口回到真空室外，然后通过凸透镜被耦合进入CCD的感光面，此时，CCD接收到的光斑当中含有陪片的等厚干涉条纹，利用视频采集卡和电子计算机对CCD接收到的干涉条纹图像进行捕捉与显示，实验人员通过对显示的干涉条纹图像进行处理与计算，得到陪片的刻蚀深度。由于刻蚀系统的均匀性保证了正式基片的刻蚀深度同陪片的相等，所以，检测出陪片刻蚀深度的同时，也就在线检测出了正式基片的刻蚀深度。

[0019] 本发明所依据的原理如下所述：

[0020] 首先，本发明所依据的基本原理，是波动光学中楔形透明薄片的等厚干涉现象。一束平行光入射到折射率为n的楔形透明薄片上，薄片前后两个表面的反射光将发生干涉，在两束光的交迭区域内可以观察到平行于楔形交棱的等厚干涉条纹。由于相邻条纹(亮条纹与亮条纹或者暗条纹与暗条纹)对应的光程差之变化为一个光波长λ，所以，经过简单的推导(文献[4]赵凯华，钟锡华.光学[M].北京：北京大学出版社，1984.上册：284-290.)，可知相邻等厚条纹对应的薄片厚度差为

[0021]

[0022] 特别地，在平行光正入射的情况下，相邻条纹之间对应的薄片厚度差约为：

[0023]

[0024] 如图3所示，当透明薄片有一部分由于被刻蚀而减薄之后，等厚干涉条纹将发生移动，而移动多少跟薄片厚度的减少量(即刻蚀深度)是成正比关系的。各个量的含义如图中所示，设厚度减少量为h，则

[0025]

[0026] 其中c/d表示台阶两侧条纹错位的比例，m表示条纹移动过的整数个条纹间隔。在实际的在线检测过程中，由于每个扫描刻蚀周期的刻蚀深度只有几十纳米，还不到条纹间隔的一半，因此，只要从第一个刻蚀周期(此时m＝0)就开始进行检测，那么每一次对刻蚀深度进行检测时m都是可以确定的。因此，可以利用等厚干涉条纹的随薄片厚度减小发生的移动来对薄片厚度减小量进行检测。

[0027] 如果使用与正式基片相同的材料制作一块楔形薄片作为陪片，使其与正式基片一起进行刻蚀，则陪片的刻蚀深度应该同正式基片的相等。在陪片与离子源之间且非常靠近陪片的地方设置一块挡板，使得陪片在经过离子束区域时，有固定的一部分被遮挡，而另一部分被刻蚀，从而在陪片的上表面形成一个台阶。然后将检测光束(如He-Ne激光)投射到台阶处，再接收反射回来的光斑，将会观察到等厚条纹发生错位，如图3所示。只要知道m的值，并且检测出条纹错位的比例，就可以按照公式(3)计算出陪片表面上这个台阶的高度(即陪片的刻蚀深度)，从而就间接地测出了正式基片的刻蚀深度。

[0028] 使用本发明所述具有刻蚀深度在线检测功能的刻蚀装置进行检测的步骤为：

[0029] 1.首先将待刻蚀的正式光学基片和进行刻蚀深度检测所用的陪片都固定在工作台上，然后调整刻蚀深度在线检测光路，使CCD上能接收到陪片前后表面形成的等厚干涉条纹图像：

[0030] 刻蚀之前，先将待刻蚀的正式基片固定在工作台上，然后根据正式基片的位置，将陪片固定在工作台上，位置在靠近正式基片的下方。还要使得当检测光束照射在陪片上面时，正式基片完全处于离子束照射区域之外。由于工作台的运动方向是水平方向，所以在将陪片固定之前，要保证它的等厚条纹方向在竖直方向上。之后，根据陪片和真空室观察窗的位置，调整并确定反射镜、激光光源与分束镜的位置，使激光器发出的入射光束经分束镜反射后以近似垂直的角度(但一定不是垂直)穿过观察窗入射到真空室内的反射镜上，经过两块反射镜后以近似垂直的角度入射到陪片上，陪片前后表面的反射光束，再沿着入射光的反方向按原路返回到刻蚀机窗口之外，穿过分束镜，通过凸透镜的耦合被CCD接收。这时，利用视频采集卡和电子计算机，在显示器上可以看到CCD所接收的图像，其中有陪片的等厚干涉条纹。

[0031] 2.根据陪片上面检测光斑的高度固定石墨挡板：

[0032] 本发明所述的具有刻蚀深度在线检测功能的刻蚀装置，其中最关键之处是通过使用挡板来保证在刻蚀过程中，陪片的前表面上能够形成一个微台阶，该台阶的高度就是刻蚀深度。而台阶的形成依靠的是在刻蚀过程中将陪片表面遮挡一部分。石墨挡板就是用来实现此目标的器件。矩形石墨板的一条长边被磨成很直的刀口(形似天平悬臂上的刀口)，朝上放置，然后通过专门的夹具夹持在离子束阑上，挡板的位置在正式基片的下方，所以不妨碍正式基片被刻蚀。石墨挡板具体位置的确定，要保证刀口边缘恰好位于陪片上被检测光束照射的区域内，而且尽量在中央高度。于是，在刀口以上的区域，离子束流不受任何阻挡，陪片前表面的上半部分和正式基片受到均匀的刻蚀，二者的刻蚀深度相等；而在刀口以下的区域，由于离子束流被石墨板阻挡，陪片前表面的下半部分未被刻蚀，因此，在陪片的前表面上刻蚀形成了一个微台阶，在任何时刻，这个台阶的高度就是陪片的刻蚀深度，也等于正式基片的刻蚀深度。

[0033] 3.在每个扫描刻蚀周期之后，拍摄陪片的等厚条纹图像：

[0034] 启动扫描式离子束刻蚀过程，工作台沿+x和-x方向进行往返平移，使正式基片和陪片都经过离子束覆盖的区域，进行扫描式的离子束刻蚀。工作台每往返一次，正式基片和陪片就两次经过离子束流照射区域，刻蚀深度也随之加深。每次当工作台回到检测位置时，检测激光束照射到陪片上有台阶的区域，这时CCD就接收到含有陪片等厚条纹的干涉图像，并输入到计算机图像采集系统中。

[0035] 4.根据计算机显示器上显示的干涉图像，确定计算参数，用软件处理图像并计算出刻蚀深度。

[0036] 首先在显示器上显示CCD所拍摄到的等厚干涉条纹图像，实验人员根据图像中条纹错位的具体情况手动设定一部分计算参数，然后利用图像处理软件获取图片中条纹错位的比例，进而计算出刻蚀深度。图像处理软件的基本算法思想是：在一幅包含M条等厚条纹的图片(例如图4(a))中，将台阶每一侧条纹未发生错位的区域划分成N条横向的带状区域，在每个带状区域内，沿着图片的列方向(请注意：条纹方向大致平行于列方向)对每个象素点的灰度值进行求和，得到一条灰度总和关于横坐标的曲线(如图4(c)所示)，该曲线上面有很多噪声，形状类似余弦曲线，经过平滑处理之后(如图4(d)所示)，它上面的M个极小值的横坐标就被认为是带状区域内中央高度上M条等厚条纹暗纹轴心的横坐标。这是在一个横向带状区域内进行的处理；在对N个带状区域内都进行同样的处理之后，每条暗纹就有了N个不同位置的轴心点坐标。利用这些点，对每条暗纹拟合出一条直线(图4(b)中沿条纹方向的一系列线条)，我们就认为这条直线代表了该条纹的中轴线。然后在条纹错位的过渡区域内选定一个高度作为台阶的位置(图4(b)中水平方向的横线)，它跟每条暗纹的中轴线都有一个交点。这些交点代表各个暗条纹在台阶处的位置，利用这些点的横坐标就能够计算出台阶两侧等厚条纹的错位比例。

[0037] 本发明的有益技术效果体现在下述几个方面：

[0038] (1)、本发明所述的具有刻蚀深度在线检测功能的刻蚀装置是实际可行的，而且检测结果的准确度很高；所用的设备少，检测成本较低，而且能够有效实现衍射光学元件扫描式离子束刻蚀过程中刻蚀深度的在线测量，可以在线、动态调整离子束刻蚀时间，能够一次性、准确地达到理论设计的刻蚀深度。这种检测装置的另外一个优点，是陪片不必一直处于检测光斑之下，而且每经过一个刻蚀周期后当陪片回到检测光斑下时，陪片的位置不必跟前一次检测时的相同，只要检测光斑照射到台阶处即可，因此，对陪片往返移动的复位精度要求不高。

[0039] (2)、在扫描式离子束刻蚀工艺中，利用本发明装置能够方便、准确地确定刻蚀终点，能够根据实际刻蚀情况的变化去动态、实时地调整刻蚀时间来控制刻蚀深度，而不需要提前知道平均刻蚀速率。

[0040] (3)、本发明的检测范围比较广，就目前已有的实验数据来看，本发明能够测量的刻蚀深度从五六十纳米直到七百纳米左右，基本上涵盖了“亚微米”这一尺度范围，而这一尺度范围正是目前衍射光学元件主流特征尺寸所在的区域；从原理上分析，本发明能够测量出更大的刻蚀深度值，1-2微米范围内的是可以进行检测的。

附图说明

[0041] 图1为本发明结构示意图，

[0042] 图2为工作台、陪片和石墨挡板的位置关系图，

[0043] 图3为利用等厚条纹错位测量刻蚀深度的原理示意图。

[0044] 图4为干涉条纹图像处理基本算法的示意图。

[0045] 图5为实施例1中衍射光栅扫描离子束刻蚀在线检测刻蚀深度的图像记录。

[0046] 图6为实施例2中部分刻蚀周期后拍摄到的陪片等厚条纹照片。

具体实施方式

[0047] 下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

[0048] 实施例1：

[0049] 参见图1和图2，具有刻蚀深度在线检测机构的衍射光学元件扫描刻蚀装置包括带有观察窗口的真空室1、离子源2、离子束阑3和平移工作台4，平移工作台4的工作台面上有待刻蚀的光学元件6，该平移工作台4能沿+x和-x方向平移，离子束入射方向与工作台的工作面垂直，即离子源发射出的离子束方向与工作台面的法线近似平行，其观察窗口9与平移工作台的工作面法线方向基本平行。陪片5和待刻蚀的光学元件(正式基片)6被固定在工作台的工作面上，石墨挡板7被固定在离子束阑上高度合适的位置，用来遮挡陪片5的下半部分，使之不被刻蚀，见图2中水平方向的虚线，表示由于石墨挡板7的存在，使得此线以下的光学元件6区域没有被刻蚀。一对光学平面反射镜8安装在真空室内的支架上，呈潜望镜式光路设置。真空室外设有用作检测光源的可提供直径为10-15毫米的平行激光束的He-Ne激光光源10、分束镜11、凸透镜12、接收干涉条纹图像的面阵CCD摄像头13和计算机14，用来显示和处理干涉条纹图像。其中分束镜11，凸透镜12，接收干涉条纹图像的面阵CCD摄像头13与观察窗口对应。

[0050] 进行光路调整时，使入射光束经分束镜11反射后以近似垂直的角度通过刻蚀机的观察窗口9，再经一对光学平面反射镜8后近似垂直地入射到陪片5上，陪片5前后表面的反射光，近似沿原路返回到一对光学平面反射镜8，并反射向刻蚀机窗口9，穿过观察窗口9和分束镜11后被凸透镜12耦合进摄像头(CCD)13的感光面内。然后利用视频采集卡捕捉干涉条纹图像到计算机14内，通过对采集到的等厚干涉条纹图片进行图像处理，从而得到等厚条纹错位的比例，进而计算出刻蚀深度。

[0051] 本实施例中，所述离子束刻蚀机的真空室尺寸1.2m×1m×1m(x×y×z)，工作台尺寸450mm×450mm(x×z)，工作台x方向行程500mm。工作台距离刻蚀机窗口620mm，反射镜距离刻蚀机窗口400mm。所使用的平面反射镜为热蒸发方式的镀铝反射镜，其尺寸50mm×50mm，两个反射镜的垂直距离180mm。

[0052] 石墨挡板的形状为矩形薄片，尺寸大约为200mm×45mm×3.5mm，其上端边缘必须非常平直，通过夹具对挡板进行支撑，夹具的材料为硬铝，必须保证挡板的上端边缘沿着x坐标轴，即必须保证挡板的上端边缘与工作台的平移方向平行；确定石墨挡板的高度时，保证其上端边缘高度位于陪片5上面检测光斑的中央附近。

[0053] 所使用的激光器是工作波长为632.8nm的He-Ne气体激光器，所使用的摄像头CCD是 JCS-311型彩色面阵摄像头CCD，所使用的视频采集卡是EZCapture视频采集卡。

[0054] 本实施例中待刻蚀的光学元件是材料为熔融石英、目标刻蚀深度为175±10nm的矩形槽型光栅。

[0055] 检测所使用的陪片5为圆形薄片，直径25mm，厚度约3mm，材料也是熔融石英，其等厚条纹的线密度大约为10线/厘米。利用前面的公式计算可知，这种陪片的一个等厚条纹间隔对应的刻蚀深度大约为217纳米，因此当陪片的等厚条纹错位比例达到0.806左右((175±10)/217≈0.806±0.046)时应该停止刻蚀。

[0056] 在本实施例中，进行刻蚀深度在线检测的步骤如下：(1)首先，将待刻蚀的光学元件6和陪片5固定于工作台上，为了使陪片不影响正式基片的刻蚀，且为操作方便计，将陪片安装在正式基片的左下方，同时要保证陪片的等厚条纹方向在竖直方向上；(2)然后搭建检测光路，调整光路中的激光器10、分束镜11、反射镜、凸透镜12和面阵CCD摄像头13等器件的位置，保证CCD能够接收到陪片的等厚条纹图像；(3)然后根据陪片上检测光斑的高度，把石墨挡板固定在离子束阑上，确保石墨挡板的上端边缘与工作台的平移方向平行；(4)在扫描式离子束刻蚀过程开始后，工作台每往返移动一次，陪片与正式基片一起两次经过离子束照射区域，接受两次刻蚀，然后又回到检测光斑下，此时，通过操作电子计算机，利用CCD和视频采集卡捕捉此时CCD所拍摄到的陪片等厚条纹图像，然后利用软件对该幅图像进行处理，得到条纹错位的相对比例，进而计算出刻蚀深度；(5)等到检测结果接近目标深度时，就在陪片回到检测光斑下时，先暂停工作台的移动，再进行干涉条纹图像的采集与处理，计算出刻蚀深度，然后根据检测结果考虑是否继续进行刻蚀，以及如果继续的话应当再刻蚀几个周期。在本实施例中，与目标深度对应的条纹错位比例大约是0.806；经过一个刻蚀周期之后，检测出条纹的错位比例是0.25571，相应的刻蚀深度大约为56nm，还不到目标深度的三分之一，所以继续进行刻蚀；两个刻蚀周期之后，检测出条纹的错位比例是
0.61222，相应的刻蚀深度大约为133nm，已经超过了目标深度的三分之二，但是还不到其五分之四，因此决定再刻蚀半个周期，即在工作台走完单程的移动距离之后立即关闭离子源，暂停刻蚀，之后进行检测，条纹错位比例为0.78366，相应的刻蚀深度为170nm，这已经达到要求，于是停止刻蚀过程。

[0057] 此后，将待刻蚀的光学元件6从刻蚀机里取出，用接触式测量仪器对其刻蚀深度进行测量，结果为169±4nm，与在线检测的结果非常吻合。因此，这是应用本发明的一次相当成功的在线检测事例。

[0058] 图5是在线检测得到的陪片等厚条纹图像。其中，图(a)是刻蚀之前陪片的等厚条纹图像，图(b)、(c)、(d)分别是刻蚀了一个、两个和两个半周期的经过处理和计算的图片，在它们的上部边缘标注了条纹错位比例的检测结果。

[0059] 实施例2：

[0060] 具有刻蚀深度在线检测机构的衍射光学元件扫描刻蚀装置结构同实施例1，其中待刻蚀的光学元件6材料为熔融石英、目标刻蚀深度为690±15nm的位相型朗奇光栅。

[0061] 检测所使用的陪片5与实施例1中所用的相同，为圆形薄片，直径25mm，厚度约3mm，材料是熔融石英；其等厚条纹的线密度大约为10线/厘米；一个等厚条纹间隔对应的刻蚀深度大约为217纳米，因此当陪片的等厚条纹错位比例达到3.180左右((690±15)/217≈3.180±0.069)时应该停止刻蚀。

[0062] 在本实施例中，进行刻蚀深度在线检测的步骤，与前一个例子中的检测步骤是相同的，这里就不再重复叙述了。

[0063] 见图6，给出了在本实施例中部分刻蚀周期后拍摄到的陪片等厚条纹照片，其中图(a)是刻蚀之前的条纹照片；图(b)是刻蚀2个周期后的，刻蚀深度的在线检测结果大约为126nm，相应的平均刻蚀速率大约为63nm/周期；图(c)是刻蚀4个周期后的，刻蚀深度的在线检测结果大约为257nm，相应的平均刻蚀速率大约为64nm/周期；图(d)是刻蚀8个周期后的，刻蚀深度的在线检测结果大约为525nm，相应的平均刻蚀速率大约为66nm/周期；图(e)是刻蚀9个周期后的，刻蚀深度的在线检测结果大约为601nm，相应的平均刻蚀速率大约为67nm/周期；到此时为止，距离目标深度(690±15nm)还差90nm左右，考虑到前面9个周期的平均刻蚀速率，决定再刻蚀一个半周期；图(f)是刻蚀10个半周期后的，刻蚀深度的在线检测结果大约为699nm，已经达到目标深度范围，于是停止刻蚀过程。

[0064] 此后，将待刻蚀的光学元件6从刻蚀机里取出，用接触式测量仪器对其光栅凹槽的深度进行测量，结果为690±12nm。而在线检测结果约为699nm，可见二者符合的较好。所以，这是本发明的又一次成功的在线检测事例。