相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備裝置及其應用方法
2023-08-04 05:04:06
專利名稱：相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備裝置及其應用方法
技術領域：
本發明涉及全息光刻領域和掃描探針顯微技術領域，具體涉及相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備裝置及其應用方法。
背景技術：
半導體被公認為20世紀最重要的發明，在此基礎上，微電子、電子、計算機、網際網路等已成為現代人生活中必不可少的工具。在半導體及大規模集成電路(ASIC)設計和製造中，光刻技術是一項必不可少的重要技術，它以尺寸小，規模大，成本低，效率高，品質好的優點成為很多工藝的首選。隨著小型化技術革命的進行，光刻技術一直保持著足夠的競爭力，符合Moore定理，將尺度不斷做小，規模不斷擴大。
但是，隨著尺寸的不斷縮小，半導體的瓶頸逐漸出現——散熱問題。尺寸，運算速度及散熱的要求，令科學家一直在尋求新的器件。1987年，S. John提出了光子晶體的概念，由此，在世界範圍內掀起了一股光子晶體及微納光子器件理論和製備的研究熱潮，各種光功能器件，濾波器，甚至光集成電路和納米光子系統都被設計出來。但是，具體樣品的製備，特別是功能性光子晶體的大規模生產技術，至今仍沒有很好的解決方案。
當前的微納光子器件製備方法主要有以下幾類(1)化學自組織生長法，(2)逐點微加工法、(3)光學全息印刷法與(4)多步驟組合法。這些方法各有優缺點，其中，光學全息印刷法具有無缺陷，大體積，成本低，效率高，品質好的優點，藉助光刻中小型化革命的關鍵技術，國內外多個科研院所與大專院校在全息印刷製備的理論與實驗研究方面也取得了一些優異成果[8-11]，但是全息製造法僅僅局限於簡單的周期微納結構的材料製備。隨著加工步驟的不斷增多，加工成本更高，精確度也隨之下降。對於意義更為重大的功能性微納光子器件的製備，當前尚無簡單實用的製備方法。
近場掃描光學顯微鏡(NSOM)是掃描探針顯微鏡的一種，它由雷射器和探針構成「局域光源」，由帶有超微動裝置的「掃描平臺」和由顯微物鏡等構成的「光學放大系統」三部分組成。近場顯微鏡用納米局域光源在納米尺度的近場距離照明樣品，來自樣品的局域光信號由顯微物鏡放大並經過光電接收器接收。NSOM用掃描技術使局域光源逐點網格狀照明樣品，然後由光電接收器接收這些光信號，再藉助計算機把來自樣品各點的局域光信號構畫出樣品的圖像。
發明內容
本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術中的上述缺點和不足，提供一種結構簡單、成本較低、容易實現的相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備裝置及其應用方法。 本發明通過以下技術方案予以實現的
相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備裝置及其應用方法，所述裝置包括處理模塊、全息相控模塊和近場光學顯微鏡；
所述全息相控模塊中雷射通過濾波並擴束後分成多束單獨的子光束，採用純相位液晶空間光調製器對每一束光進行相位控制，最後各束子光束通過稜鏡重疊在一起，形成周期的光場分布。使用該裝置製作樣品時，由於所有光都經過相同的光學元件，因此可以有效地消除因光學元件和光學平臺震動對樣品製備產生的影響。周期光場作用於光聚合材料(感光材料)，便可以製備光子晶體模板。其中隨著稜鏡的替換和子光束的相位控制，可以得到不同的周期結構。為了合成出所需的2D與3D空間光場分布，在進行光場合成前需要開展數字模擬分析。
所述全息相控模塊用於形成周期全息光場和獲取近場顯微鏡的探針在周期全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置；
所述近場光學顯微鏡用於掃描周期全息光場分布，並根據所述全息光場分布對樣品進行加工；
所述處理模塊用於讀取以及處理周期全息光場分布和探針在周期全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置圖像，並通過預設軟體對近場光學顯微鏡和全息相控模塊進行控制。
所述近場光學顯微鏡的載物平臺為壓電平移臺。
所述全息相控模塊採用純相位液晶空間光調製器、稜鏡和多通道電壓驅動器，所述多通道電壓驅動器用於驅動所述空間光調製器。
一種基於相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備功能性光子晶體的方法，包括處理模塊、全息相控模塊和近場光學顯微鏡，所述方法包括以下步驟
1)通過全息相控模塊形成樣品的周期全息光場；
2)通過近場光學顯微鏡的探針，移動近場光學顯微鏡的載物平臺掃描所述周期全息光場幹涉條紋的空間分布，然後處理模塊讀取該空間分布3)根據所述空間分布圖，打開近場探針的雷射，近場光學顯微鏡的載物平臺平移樣品， 對需要加工的地方，實現缺陷的加工。
根據近場光學顯微鏡的載物平臺移動坐標矢量表徵的全息光場布拉伐結構表達和近場探針在全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置移動所述載物平臺，進行掃描工作時，載物平臺做XY掃描移動；納米平臺的移動範圍可以達到120umX120um，XY方向精度可以達到2nm, Z方向精度達到0. 5nm。
通過光學顯微鏡，結合相位鎖定技術，校準周期全息光場與納米平臺的方向，獲取所述由近場光學顯微鏡的載物平臺移動坐標矢量表徵的全息光場布拉伐結構表達。
全息相控模塊中利用光闌將純相位液晶空間光調製器出射的某一束或幾束光遮擋，由於所述全息相位裝置的光束都是比較大的，很容易遮擋住，所以可以通過用手動去開關光闌，甚至可以直接用擋板去擋，從而獲得周期全息光場某一方向的條紋，獲取近場顯微鏡探針處光強信息，再通過同樣方法獲得原全息光強其他方向的條紋，同樣獲取近場探針處的光強信息，通過計算，得出所述近場顯微鏡的探針在全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置。
與現有技術相比，本發明具有以下優點
本發明採用相控全息印刷法結合近場光學點加工的方法進行功能性光子器件的製備， 光場相位控制的全息印刷法，能夠製備各種大面積的基本格子和簡單的缺陷結構，近場掃描光學顯微鏡能夠掃描出空間光場或樣品形貌的分布並將雷射倏逝至近場，實現各種缺陷的引入和形貌修復，在大規模生產前景上，採用特製器件能夠近場倏逝缺陷結構，在完成基本該器件跟周期結構的定位後，可以進行大規模快速製備。
圖1為本發明的裝置示意圖2為本發明製備功能性光子晶體的方法的流程圖； 圖3為本發明全息相控模塊的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的說明。
如圖1所示，本發明公開了一種相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備裝置，所述裝置包括處理模塊、全息相控模塊和近場光學顯微鏡；
所述全息相控模塊用於形成周期全息光場和獲取近場顯微鏡的探針在周期全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置；
所述近場光學顯微鏡用於掃描周期全息光場分布，並根據所述全息光場分布對樣品進行加工；
所述處理模塊用於讀取以及處理周期全息光場分布和探針在周期全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置圖像，並通過預設軟體對近場光學顯微鏡和全息相控模塊進行控制。
所述全息相控模塊採用純相位液晶空間光調製器、稜鏡和多通道電壓驅動器，所述多通道電壓驅動器用於驅動所述空間光調製器。
所述近場光學顯微鏡的探針的位置與所述周期全息光場相對固定。 所述近場光學顯微鏡的載物平臺為壓電平移臺。
如圖2，所示本發明公開了基於相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備功能性光子晶體的方法，包括處理模塊、全息相控模塊和近場光學顯微鏡，所述方法包括以下步驟
1)通過全息相控模塊形成樣品的周期全息光場；
2)通過近場光學顯微鏡的探針，移動近場光學顯微鏡的載物平臺掃描所述周期全息光場幹涉條紋的空間分布，然後處理模塊讀取該空間分布3)根據所述空間分布圖，打開近場探針的雷射，近場光學顯微鏡的載物平臺平移樣品， 對需要加工的地方，實現缺陷的加工。
根據近場光學顯微鏡的載物平臺移動坐標矢量表徵的全息光場布拉伐結構表達和近場探針在全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置移動所述載物平臺，進行掃描工作時，載物平臺做XY掃描移動；納米平臺的移動範圍可以達到120umX120um，XY方向精度可以達到2nm, Z方向精度達到0. 5nm。
通過光學顯微鏡，結合相位鎖定技術，校準周期全息光場與納米平臺的方向，獲取所述由近場光學顯微鏡的載物平臺移動坐標矢量表徵的全息光場布拉伐結構表達。
全息相控模塊中利用光闌將LSM出射的某一束或幾束光遮擋，獲得周期全息光場某一方向的條紋，獲取近場顯微鏡探針處光強信息，再通過同樣方法獲得原全息光強其他方向的條紋，同樣獲取近場探針處的光強信息，通過計算，得出所述近場顯微鏡的探針在全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置。
如圖3所示全息相控模塊中，雷射通過濾波並擴束後分成多束單獨的子光束，採用純相位液晶空間光調製器1對每一束光進行相位控制，最後各束子光束通過稜鏡2重疊在一起，形成周期的光場分布。使用該裝置製作樣品時，由於所有光都經過相同的光學元件，因此可以有效地消除因光學元件和光學平臺震動對樣品製備產生的影響。周期光場作用於光聚合材料(感光材料)，便可以製備光子晶體模板。其中隨著稜鏡的替換和子光束的相位控制，可以得到不同的周期結構。為了合成出所需的2D與3D空間光場分布，在進行光場合成前需要開展數字模擬分析。
相控全息系統將安裝於近場顯微鏡納米平臺下方的專用光學裝置箱內。裝置中，SNOM 探針與全息光場的相對位置上固定的，SNOM進行掃描工作時，納米平臺做XY掃描移動； 納米平臺的移動範圍可以達到120umX120um，XY方向精度可以達到2nm，Z方向精度達到 0. 5nm ；由於SNOM只能採用動平臺的掃描方式，無法直接採用SNOM探針掃描全息光場分布； 需要知道全息光場在近場納米平臺上的取向以及近場探針在全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置，才可通過上述的移動平臺的掃描方式對由全息光刻形成的光子晶體結構進行近場加工。本發明將通過以下方法獲得上述信息第一，利用與近場顯微鏡裝在同一平臺上的超高精度傳統光學顯微鏡，結合相位鎖定技術，校準全息光場與納米平臺的方向，獲得由納米平臺移動坐標矢量表徵的全息光場布拉伐結構表達。第二，利用光闌將純相位液晶空間光調製器出射的某一束或幾束光遮擋，獲得原全息光場某一方向的條紋，獲取近場探針處光強信息，再通過同樣方法獲得原全息光強其他方向的條紋，同樣獲取近場探針處的光強信息。通過計算，可獲得近場探針在原全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置。 獲得以上兩方面信息後，便可對光子晶體進行功能性缺陷的近場精確製備。
權利要求
1.一種相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備裝置，其特徵在於，所述裝置包括處理模塊、全息相控模塊和近場光學顯微鏡；所述全息相控模塊用於形成周期全息光場，並獲取近場光學顯微鏡的探針在周期全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置；所述近場光學顯微鏡用於掃描周期全息光場分布，並通過探針發出雷射對樣品進行加工；所述處理模塊用於讀取以及處理周期全息光場分布和探針在周期全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置圖像，並通過預設軟體對近場光學顯微鏡和全息相控模塊進行控制。
2.根據權利要求1所述的相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備裝置，其特徵在於，所述全息相控模塊包括純相位液晶空間光調製器、稜鏡和多通道電壓驅動器，所述多通道電壓驅動器用於驅動所述空間光調製器。
3.根據權利要求1所述的相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備裝置，其特徵在於，所述近場光學顯微鏡的探針的位置與所述周期全息光場相對固定。
4.根據權利要求1所述的相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備裝置，其特徵在於，所述近場光學顯微鏡的載物平臺為壓電平移臺。
5.一種基於相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備功能性光子晶體的方法，包括處理模塊、全息相控模塊和近場光學顯微鏡，其特徵在於，所述方法包括以下步驟1)通過全息相控模塊形成樣品的周期全息光場；2)通過近場光學顯微鏡的探針，移動近場光學顯微鏡的載物平臺掃描所述周期全息光場幹涉條紋的空間分布，然後處理模塊讀取該空間分布圖；3)根據所述空間分布圖，打開近場探針的雷射，近場光學顯微鏡的載物平臺平移樣品， 對需要加工的地方，實現缺陷的加工。
6.根據權利要求5所述的基於相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備功能性光子晶體的方法，其特徵在於，根據近場光學顯微鏡的載物平臺移動坐標矢量表徵的全息光場布拉伐結構表達和近場探針在全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置移動所述載物平臺。
7.根據權利要求6所述的基於相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備功能性光子晶體的方法，其特徵在於，通過光學顯微鏡，結合相位鎖定技術，校準周期全息光場與納米平臺的方向，獲取所述由近場光學顯微鏡的載物平臺移動坐標矢量表徵的全息光場布拉伐結構表達。
8.根據權利要求6所述的基於相位全息與近場光學顯微鏡聯用製備功能性光子晶體的方法，其特徵在於，全息相控模塊中利用光闌將純相位液晶空間光調製器出射的某一束或幾束光遮擋，獲得周期全息光場某一方向的條紋，獲取近場顯微鏡探針處光強信息，再通過同樣方法獲得原全息光強其他方向的條紋，同樣獲取近場探針處的光強信息，通過計算， 得出所述近場顯微鏡的探針在全息光場所形成的布拉伐晶格中的相對位置。
全文摘要
本發明採用相位控制的光學全息製備法同近場掃描的逐點加工法進行微納光子器件的製備技術。相位控制的全息製備法能夠製備各種基本的布拉菲結構，基於單個稜台的光路設計簡單緊湊，引入純相位的空間光調製後結構和位置可調，以實現多種光子晶體周期結構製備。同時採用近場光學顯微鏡對相控全息所形成的光場分布進行高分辨檢測與記錄，實現近場探針的定位，可以對全息的周期光場分布進行選擇性的缺陷加工。本發明的意義在於對光刻材料進行一次曝光，就可獲得各種帶功能缺陷的光子晶體結構。本發明是集成電子與計算機控制、光子檢測、近場微區操控以及精密光機電系統等高新技術的綜合實驗技術，為微納光子器件的設計與製備提供有效的解決方案。
文檔編號G02B6/122GK102279556SQ20111014744
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者周建英, 張培晴, 王自鑫, 謝向生 申請人:中山大學