一種雷射幹涉光刻光學系統的製作方法

2023-10-04 11:10:19 1

本實用新型涉及雷射幹涉光刻加工技術領域，涉及的是一種雷射幹涉光刻光學系統。

背景技術：

雷射幹涉光刻技術是一種利用雙光束或多光束雷射幹涉曝光或直寫產生周期性圖案的微納陣列結構的重要技術，主要應用於加工亞波長的條紋、點陣、孔陣和梯度漸變結構等有序和準有序陣列結構的製備。該項技術具有低成本、大面積、高效率和可實現曲面加工等特點，而且這些結構還表現出了特殊的功能，如減反射、表面自清潔、全反射、負折射、防偽等，引起國內外科學工作者的極大關注。

現有的雷射幹涉光刻系統大多數採用光學鏡組在光學平臺上進行搭建，幹涉光線的入射面可以圍繞入射光線的主光軸，進行任意角度的調節。該系統大大增加了幹涉光束入射面之間角度的調節範圍，能滿足幹涉圖樣的多樣性。但是均存在光路搭建繁雜、易受外界幹擾等不足。然而雷射光纖分束曝光不太適合於大面積曝光和應用於高功率雷射。

目前，雷射幹涉光刻系統均有各自的優點和不足，不能兼顧靈活性、大面積、短脈衝和高功率等特點。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的問題，本實用新型提供了一種雷射幹涉光刻光學系統，該系統解決了現有技術中光學平臺搭建複雜，易受到外界幹擾，靈活度不高的問題。

本實用新型解決技術問題所採用的技術方案如下：

一種雷射幹涉光刻光學系統，該系統包括：至少一個分光鏡、至少一個反射鏡A、多個反射鏡B、至少兩個柔性光學鉸鏈、至少兩個半波片和至少兩個偏光鏡；所述柔性光學鉸鏈由導光管和關節組成，每兩個導光管通過一個關節連接；每個關節內部設置一個反射鏡B；所述每個柔性光學鉸鏈的出口內設置一個半波片，所述每個出口外設置一個偏振鏡；所述光源發出光線，經過分光鏡分光後，一部分光線反射進入柔性光學鉸鏈內；一部分光線透射，通過至少一個反射鏡A反射後進入柔性光學鉸鏈內，或者經過另一個分光鏡分光，一部分光線反射進入柔性光學鉸鏈內；一部分光線透射，通過至少一個反射鏡A反射後進入柔性光學鉸鏈內；每束光線對應一個柔性光學鉸鏈；進入柔性光學鉸鏈的光束經過設置在關節上的反射鏡B的多次反射，通過半波片和偏振鏡，得到的多束偏振光在樣品表面或內部匯聚發生幹涉，形成幹涉圖案。

本實用新型的有益效果是：本實用新型雷射束經分光鏡分光後的，再經全反射鏡反射並耦合進入光學鉸鏈，經光學鉸鏈末端輸出。該技術在滿足大面積、短脈衝和高功率雷射傳輸的同時，還表現出靈活性，減小了設備的面積，減少能量的損耗，避免對繁雜光路的調整和潛在的外界幹擾，方便非專業人員進行雷射幹涉加工操作。

附圖說明

圖1本實用新型雙光束雷射幹涉光刻光學系統結構示意圖。

圖2利用雙光束雷射幹涉光刻光學系統幹涉圖樣。

圖3本實用新型三光束雷射幹涉光刻光學系統結構示意圖。

圖4利用三光束雷射幹涉光刻光學系統幹涉圖樣。

圖中：1、短脈衝相干雷射光源，2、箱體，3、分光鏡，4、反射鏡A，5、柔性光學鉸鏈，6、關節，7、導光管，8、反射鏡B，9、半波片，10、偏光鏡，11、第二分光鏡，12、第二反射鏡A，13、第三反射鏡A，14、出光口和15、樣品。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步詳細說明。

如圖1所示，雙雷射幹涉光刻光學系統，該系統包括：箱體2、分光鏡3、反射鏡A4、八個反射鏡B8、兩個柔性光學鉸鏈5、十六個扭簧、兩個半波片9和兩個偏光鏡10；分光鏡3和反射鏡A4設置在箱體2內，箱體2底部和側面設置出光孔，與柔性光學鉸鏈5連接。每個柔性光學鉸鏈5由四個關節6和五個導光管7組成，每兩個導光管7通過一個關節6連接，關節6的兩頭設置扭簧，導光管7通過扭簧與關節6相連，實現導光管7扭轉的功能，隨意改變幹涉的位置。其中導光管7可伸縮，當需要增大或者減小柔性光學鉸鏈5出光口14之間的距離時，通過調整導光管7的長短即可實現。其中每個關節6內部設置一個反射鏡B8；每個柔性光學鉸鏈5的出光口14內設置一個半波片9，每個出光口14外設置一個偏振鏡10；短脈衝相干雷射光源1發出光線，經過分光鏡3分光後，一部分光線反射進入柔性光學鉸鏈內5；一部分光線透射，通過反射鏡A4反射後進入柔性光學鉸鏈5內；每束光線對應一個柔性光學鉸鏈5；進入柔性光學鉸鏈5的光束經過反射鏡B8的多次反射，通過半波片9和偏振鏡10，實現幹涉圖樣的調製，得到的多束偏振光在樣品15表面或內部匯聚發生幹涉，形成幹涉圖案。樣品15一般為金屬、合金、半導體材料、光敏樹脂或者聚合物材料。樣品15表面產生條紋、點陣、孔陣和梯度漸變圖案。本實施例中，設置出光口14的兩個導光管7所連接的關節6，夾角大於90度，其他關節6的夾角為90度，即通過調整導光管7的長度和方向實現兩束光的相互幹涉。箱體2和柔性光學鉸鏈5除了入光口和出光口14，其餘為全封閉結構。

實驗中，短脈衝相干雷射光源1採用雷射波長為355nm，脈衝5-8ns，頻率10Hz，採用雙光束雙曝光的方式，即第二次曝光是在第一次曝光的基礎上將樣品15旋轉90度，進行再一次曝光。兩束雷射的入射角為7度；空間角為分別為0度和180度；雷射的光斑直徑大小為14mm，兩束雷射能量均為1mJ，曝光時間為10s，光刻膠選用AR-P 3740，在InP襯底上以5000轉/分鐘，經過旋塗勻膠，前烘，雙光束雙曝光，後烘和顯影等工藝流程後，獲得如圖2所示的幹涉圖樣。

如圖3所示，三雷射幹涉光刻光學系統，該系統包括：箱體2、兩個分光鏡、三個反射鏡A、十二個反射鏡B8、三個柔性光學鉸鏈5、二十四個扭簧、三個半波片9和三個偏光鏡10；所有的分光鏡和反射鏡A設置在箱體2內，箱體2底部和側面設置出光孔，與柔性光學鉸鏈5連接。每個柔性光學鉸鏈5由四個關節6和五個導光管7組成，每兩個導光管7通過一個關節6連接，關節6的兩頭設置扭簧，導光管7通過扭簧與關節6相連，實現導光管7扭轉的功能，隨意改變幹涉的位置。其中導光管7可伸縮，當需要增大或者減小柔性光學鉸鏈5出光口14之間的距離時，通過調整導光管7的長短即可實現。其中每個關節6內部設置一個反射鏡B8；每個柔性光學鉸鏈5的出光口內14設置一個半波片9，每個出光口14外設置一個偏振鏡10；短脈衝相干雷射光源1發出光線，經過分光鏡3分光後，一部分光線反射進入柔性光學鉸鏈5內；另一部分光線透射，經過第二分光鏡11分光，一部分光線經反射鏡A4進入柔性光學鉸鏈5內；另一部分光線反射，通過第二反射鏡A12和第三反射鏡A13離軸反射後進入柔性光學鉸鏈5內，大大減小了設備的體積；每束光線對應一個柔性光學鉸鏈5；進入柔性光學鉸鏈5的光束經過反射鏡B8的多次反射，通過半波片9和偏振鏡10，實現幹涉圖樣的調製，得到的多束偏振光在樣品15表面或內部匯聚發生幹涉，形成幹涉圖案。樣品15一般為金屬、合金、半導體材料、光敏樹脂或者聚合物材料。樣品15表面產生條紋、點陣、孔陣和梯度漸變圖案。本實施例中，所有關節6的夾角為90度，即通過調整導光管7的長度和有限的範圍內改變相鄰兩個導光管7的夾角實現三束光的相互幹涉。箱體2和柔性光學鉸鏈5除了入光口和出光口，其餘為全封閉結構。

實驗中，短脈衝相干雷射光源1採用雷射波長為355nm，脈衝5-8ns，頻率10Hz，採用三光束曝光的方式。每束雷射的光斑直徑大小為14mm，空間角分別為0度、120度和240度，入射角均為12度，雷射能量分別為1.3mJ、1.3mJ和1mJ，曝光時間為20s，光刻膠選用AR-P 3740，在Si襯底上以5000轉/分鐘，經過旋塗勻膠，前烘，三光束曝光，後烘和顯影等工藝流程後，獲得如圖4所示的幹涉圖樣。