基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置的製作方法
2023-05-07 17:50:36 4
專利名稱：基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及高密度光柵製備技術，特別是一種基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置。
背景技術：
光柵器件作為一種非常基礎的光學元件，在光譜分析、光纖通信、光學測量、空間科學、雷射演示等領域有廣泛的應用，特別是大尺寸的高密度光柵，在國家大工程如雷射核聚變中有非常重要的用途。隨著科學技術的發展，其應用的範圍也將進一步擴大，同時對光柵尺寸和光柵性能的要求也會進一步提高。目前國際上主要採用的光柵製作方法是傳統的全息幹涉曝光技術，如法國HORIBA Jobin Yvon公司商業生產的光柵，基本是通過兩束平行光幹涉形成高密度光柵條紋，然後進行光刻。我國也有幾家研究機構利用全息法製作光柵，包括蘇州大學，中科院上海光學精密機械研究所等。這種方法可以製作密度很高的光柵，同時周期性也能得到保證，但是它也面臨一些嚴重的問題。隨著光柵尺寸的不斷增大(如米級光柵)，需要的光束也隨之增大，而要實現大尺寸均勻的平行光束，需要有高質量大尺寸的透鏡，這種透鏡的加工成本是極其昂貴的，同時對現有的透鏡加工工藝也是一個極大的挑戰。由於傳統的光學全息幹涉曝光技術受到透鏡尺寸的限制，開始出現一些其他的直寫光柵製備技術，如通過直接刻劃的方式進行大面積光柵製作的技術，中科院長春光機所國家光柵工程中心主要採用金剛石刀具進行精密刻劃實現大尺寸高密度光柵製作。這種光柵刻劃技術最大的缺陷在於它的加工效率，由於一次只能刻劃一條線，要實現米級光柵的製備，需要很長的時間。這對加工平臺以及環境的長期穩定性提出了非常苛刻的要求，同時由於金剛石刀具會在刻划過程中不斷磨損，需要更換刀頭，這必然會對製備的光柵的性能產生一定影響。一種比較好的光柵直寫製備技術是利用雷射進行並行光刻，這不僅可以提高加工效率縮短時間，同時雷射器性能在光刻過程中也不會發生改變，因此可以保證並行光刻的一致性。目前最具代表性的是美國MIT開發的一種稱為SBIUScanning Beam Interference Lithography) ^ ^^ ^ ! ^ JAL "Nanometer-accurate grating fabrication with scanning beam interference lithography"SPIE, 4936，126—134 (2002))，該技術在傳統的全息幹涉光路的基礎上，增加了精密掃描和控制模塊，利用全息幹涉形成的光柵進行掃描光刻，可以幾萬倍甚至幾十萬倍的提高加工效率。同時這種方法的可擴展性也很好，依靠高精度的掃描平臺，目前該技術可以製作900mm大小的高密度光柵。但是，這種技術的不足之處在於，採用的光束的光斑是高斯型的，因此需要在拼接的時候有一定程度的光斑疊加，而在光斑疊加時不僅要滿足雷射能量的匹配，而且光柵條紋也要嚴格對準，同時光柵場要保持高度的穩定性，這就對光刻工藝和控制技術提出了很高的要求。另外該技術通常還需要精密的旋轉裝置，用於轉動掃描平臺，使掃描平臺的移動方向與光柵條紋方向保持一致，因此也會增加裝置的複雜程度。
發明內容
本發明針對美國MIT的SBIL技術進行了改進，提出一種基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置，該裝置形成一排高密度的光束點陣對掃描基片進行並行掃描光刻，提高了並行掃描光刻的穩定性，並降低了光柵拼接的難度；可以保證掃描基片的掃描平面和柱面鏡的焦面始終保持一致；同時，通過改進傳統的雙光束幹涉光路，可以連續改變光柵條紋的方向，因此能夠方便的實現光柵條紋方向與掃描平臺方向一致；裝置可以實現高密度光柵的並行光刻，裝置具有穩定性好、並行度高、光柵加工速度快等優點。本發明的技術解決方案如下
一種基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置，其特點在於該裝置包括雙光束全息幹涉光路，用於產生高密度的光柵條紋場；柱面鏡，可以將二維光柵場聚焦成一維高密度點陣；掃描平臺，用於置放掃描基片並實現掃描基片的精確定位和掃描移動；自聚焦系統，控制掃描平面與柱面鏡焦面始終保持一致；由紫外雷射器、第一半透半反鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第一擴束準直裝置、第二擴束準直裝置、柱面鏡、掃描平臺、紅光雷射器、第二半透半反鏡、像散透鏡、四象限探測器組成，其位置關係如下
所述的雙光束全息幹涉光路包括紫外雷射器，在所述的紫外雷射器的輸出光路方向設置所述的第一半透半返鏡，將所述的紫外雷射分為透射光束和反射光束，在透射光束放置的第一反射鏡、在反射光束方向設置第二反射鏡，在所述的第一反射鏡和第二反射鏡之後的焦距位置分別放置第一擴束準直裝置和第二擴束準直裝置，在所述的掃描平臺上放置待光刻的掃描基片，紫外雷射器輸出的紫外光束，通過第一半透半返鏡分成透射光束和反射光束，然後利用兩塊第一反射鏡、第二反射鏡引入到兩套對稱放置的第一擴束準直裝置、第二擴束準直裝置中，最後擴束的兩束平行光經過所述的柱面鏡相交於所述的掃描基片上， 形成高密度的光柵條紋場；其中一束透射光束或反射光束經過的準直透鏡固定在一個精密升降臺上，通過調節準直透鏡的高度，實現連續調節準直光束的出射方向，從而使兩束光幹涉的角度發生連續的轉動，於是光柵條紋的方向也隨之連續變化，以保證光柵條紋的方向與掃描平臺移動的方向精確一致；
所述的柱面鏡置於三維調整架上，使所述的柱面鏡放置在所述的掃描基片平面之前的光路中，所述的柱面鏡及其所述的三維調整架固定在精密移動壓電陶瓷上，調節所述的三維調整架，使所述的柱面鏡與所述的掃描基片平面之間距為所述的柱面鏡的焦距，以在所述的掃描基片上形成一排高密度的光柵點陣；使所述的柱面鏡的圓柱方向與光柵條紋方向保持垂直；同時所述的柱面鏡相對於入射的雙光束對稱放置，並且光束中心與柱面鏡中線在同一平面內；
所述的自動聚焦系統包括紅光半導體雷射器，所述的柱面鏡及其所述的三維調整架固定在精密移動壓電陶瓷上，在所述的掃描平臺的正上方依次設置第二半透半反鏡、像散透鏡和四象限探測器，所述的第二半透半反鏡與所述的紅光半導體雷射器發出的光束和自所述的掃描基片平面反射的光束成45°，所述的四象限探測器對所述的掃描基片平面進行離焦檢測，該四象限探測器輸出的離焦信號輸入計算機，計算機控制PZT移動裝置實時快速調節柱面鏡的位置，保證掃描過程中基片平面始終與柱面鏡焦面保持一致。本發明的技術效果本發明基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵製備裝置具有以下幾個優點 (1)通過柱面鏡聚焦，使得二維光柵條紋變成一維高密度光點陣，對所述的掃描基片進行並行光柵掃描，可以降低掃描平臺運動方向與光柵條紋方向對準精度的要求，同時由於光點和幹涉條紋相比，能量集中，因而使拼接的問題也變得相對簡單。(2)採用自動聚焦跟蹤系統實時調節柱面鏡焦面，使之與掃描基片平面保持一致， 從而保證了掃描光刻過程中的穩定性，降低了對工作環境的要求。(3)利用改進了的雙光束全息曝光光路，增加了光束幹涉條紋方向的旋轉機構，可以方便的調節光柵條紋方向，避免使用複雜的旋轉平臺，簡化了裝置結構。(4)實驗表明，利用本發明基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置，並基於高精度的掃描移動平臺，可以實現高密度光柵的並行光刻，裝置具有穩定性好、並行度高、光柵加工速度快等優點。
圖1是本發明基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置的光路2是準直擴束模塊中準直光束方向與透鏡高度的關係示意圖
圖3是柱面鏡聚焦示意圖(a)和一維高密度光點陣圖(b)。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。先請參閱圖1，圖1是本發明基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置的光路圖，由圖可見，本發明基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置，
該裝置包括雙光束全息幹涉光路，用於產生高密度的光柵條紋場；柱面鏡，可以將二維光柵場聚焦成一維高密度點陣；掃描平臺8，用於置放掃描基片並實現掃描基片的精確定位和掃描移動；自聚焦系統，控制掃描平面與柱面鏡焦面始終保持一致；由紫外雷射器1、 第一半透半反鏡2、第一反射鏡3、第二反射鏡4、第一擴束準直裝置5、第二擴束準直裝置6、 柱面鏡7、掃描平臺8、紅光雷射器9、第二半透半反鏡10、像散透鏡11、四象限探測器12組成，其位置關係如下
所述的雙光束全息幹涉光路，包括紫外雷射器1，在所述的紫外雷射器1輸出的光路方向設置所述的第一半透半返鏡2，將所述的紫外雷射分為透射光束和反射光束，在透射光束放置的第一反射鏡3，在反射光束方向設置第二反射鏡4，在所述的第一反射鏡3和第二反射鏡4之後的焦距位置分別放置第一擴束準直裝置5和第二擴束準直裝置6，在所述的掃描平臺8上放置待光刻的基片，紫外雷射器1輸出的紫外光束，通過第一半透半返鏡2分成透射光束和反射光束，然後利用兩塊第一反射鏡3、第二反射鏡4引入到兩套對稱放置的第一擴束準直裝置5和第二擴束準直裝置6中，最後經過擴束的兩束平行光經所述的柱面鏡7後相交於待掃描基片8上，形成高密度的光柵條紋場，請參見圖3 ；其中一束透射光束或反射光束經過的準直透鏡固定在一個精密升降臺上，通過精密升降臺調節準直透鏡的高度，實現連續調節準直光束的出射方向，從而使兩束光幹涉的角度發生連續的轉動，於是光柵條紋的方向也隨之連續變化，以保證光柵條紋的方向與掃描平臺移動的方向精確一致；所述的柱面鏡7置於三維調整架上，使所述的柱面鏡7放置在所述的掃描基片平面之前的光路中，調節所述的三維調整架，所述的柱面鏡7及其所述的三維調整架固定在精密移動壓電陶瓷PZT上，使所述的柱面鏡7與所述的掃描基片平面之間距為所述的柱面鏡的焦距，以在所述的掃描基片上形成一排高密度的光柵點陣；使所述的柱面鏡7的圓柱方向與光柵條紋方向保持垂直；同時所述的柱面鏡相對於入射的雙光束對稱放置，並且光束中心與柱面鏡中線在同一平面內；
所述的自動聚焦系統包括紅光半導體雷射器9，所述的柱面鏡7及其所述的三維調整架固定在精密移動壓電陶瓷(PZT)上，在所述的掃描平臺8的正上方依次設置第二半透半反鏡10、像散透鏡11和四象限探測器12，所述的第二半透半反鏡10與所述的紅光半導體雷射器9發出的光束和自所述的掃描基片平面反射的光束成45°，所述的四象限探測器12 對所述的掃描基片平面進行離焦檢測，該四象限探測器12輸出的離焦信號輸入計算機(圖中未示)，計算機控制PZT移動裝置實時快速調節柱面鏡的位置，保證掃描過程中掃描基片的上表平面始終與柱面鏡焦面保持一致。在傳統的雙光束幹涉全息光路的基礎上，本發明增加了光束幹涉條紋方向的旋轉機構，可以很方便的調節幹涉條紋的方向，從而避免了掃描系統中的精密旋轉模塊，降低了整個裝置的複雜程度。所述的光束幹涉條紋方向旋轉機制，具體採用的方法如圖2所示，在所述的第一擴束準直裝置5中，將擴束透鏡13固定在精密升降臺(圖中未示)上，通過調節準直透鏡的高度，從所述準直擴束裝置5的光闌14出射的點光源與準直透鏡主軸的相對位置發生改變，準直光束的出射方向也發生改變，從而使得兩束光幹涉的角度發生連續的轉動，於是光柵條紋的方向也隨之連續變化，利用該方法最終可以保證光柵條紋的方向與掃描平臺移動的方向精確一致。柱面鏡7是本項發明的重要組成部分，將柱面鏡固定在三維調整架(圖中未示)上， 並放置在掃描基片上表平面之前，和基片平面的距離為該柱面鏡的焦距，如圖3 (a)所示， 從而可以在掃描基片上形成一排高密度的光柵點陣，如圖3 (b)所示；通過調節三維調整架，所述的柱面鏡7的圓柱方向與光柵條紋方向保持垂直；同時柱面鏡相對於入射雙光束對稱放置，同時保證兩束光的主軸與柱面鏡的中線在同一平面內。為了保證柱面鏡焦面與掃描基片的上表面在同一個平面內，設置了自動聚焦系統。該自動聚焦系統採用獨立的紅外雷射器9，利用像散法進行基片平面離焦檢測，所述的自動聚焦系統包括紅光半導體雷射器9，所述的柱面鏡7及其所述的三維調整架固定在精密移動壓電陶瓷(PZT)上，在所述的掃描平臺8的正上方依次設置第二半透半反鏡10、像散透鏡11和四象限探測器12，所述的第二半透半反鏡10與所述的紅光半導體雷射器9發出的光束和自所述的掃描基片平面反射的光束成45°，所述的四象限探測器12對所述的掃描基片平面進行離焦檢測，該四象限探測器12輸出的離焦信號輸入計算機(圖中未示)，計算機控制PZT移動裝置實時快速調節柱面鏡的位置，保證掃描過程中掃描基片的上表平面始終與柱面鏡焦面保持一致。如圖1 中虛線所示。同時將所述的柱面鏡7及其調整架固定在精密移動壓電陶瓷(PZT)上，在基片掃描移動過程中，當掃描基片的上表平面離開所述的柱面鏡7焦面時，通過自動聚焦系統得到離焦量的信號，利用PZT移動裝置實時調節所述的柱面鏡7的位置，保證掃描過程中基片平面始終與柱面鏡焦面保持一致。(參考文獻Donald K. Cohen, Wing Ho Gee, Μ. Ludeke, and Julian Lewkowicz, "Automatic focus control: the astigmatic lensapproach, 「 Appl. Opt. 23，565-570 (1984))
下面是本發明基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置的一個具體實施例的具體參數採用的光刻光源1是氦鎘雷射器(Kimmon，型號為IK4171I-G)，波長為442納米，雷射輸出功率為180mW，可以確保直寫掃描以較快速度進行。通過第一半透半反鏡2將入射光以1 :1的能量比分成兩束，然後利用兩片鍍銀的第一反射鏡3第二反射鏡4將光束導入對稱放置的第一準直擴束裝置和第二準直擴束裝置中，通過剪切幹涉儀判斷出射的光束為嚴格的平行光。兩束擴束後的平行光相交在待光刻的基片8上，幹涉形成高密度的二維光柵條紋場。為了方便調節光柵條紋的方向，將其中一路光中的準直透鏡固定在精密升降臺上，通過調節升降臺，使透鏡的中心稍微偏離光路的平面，改變出射光束的方向，於是兩束光幹涉的夾角也相應發生轉動，從而使幹涉條紋的方向發生連續變化。將焦距為40mm的柱面鏡固定在三維調整架上，並放置在距離掃描基片40mm的位置，從而在基片上形成一維高密度點陣。自聚焦跟蹤系統的引入可以實時監控柱面鏡與基片的距離，保證基片始終在柱面鏡的焦面上。其中自聚焦系統採用獨立的半導體雷射器光源，波長為675nm，該光源不會對光刻膠產生影響。實驗表明，利用本發明基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置，並基於高精度的掃描移動平臺，可以實現高密度光柵的並行光刻，裝置具有穩定性好、並行度高、光柵加工速度快等優點。
權利要求
1. 一種基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置，其特徵在於 該裝置包括雙光束全息幹涉光路，用於產生高密度的光柵條紋場；柱面鏡，可以將二維光柵場聚焦成一維高密度點陣；掃描平臺(8)，用於置放掃描基片並實現掃描基片的精確定位和掃描移動；自聚焦系統，控制掃描平面與柱面鏡焦面始終保持一致；由紫外雷射器 (1)、第一半透半反鏡(2)、第一反射鏡(3)、第二反射鏡(4)、第一擴束準直裝置(5)、第二擴束準直裝置(6)、柱面鏡(7)、掃描平臺(8)、紅光雷射器(9)、第二半透半反鏡(10)、像散透鏡(11 )、四象限探測器(12)組成，其位置關係如下所述的雙光束全息幹涉光路包括紫外雷射器(1 )，在所述的紫外雷射器(1)輸出的光路方向設置所述的第一半透半返鏡(2)，將所述的紫外雷射分為透射光束和反射光束，在透射光束放置的第一反射鏡(3)、在反射光束方向設置第二反射鏡(4)，在所述的第一反射鏡 (3)和第二反射鏡(4)之後的焦距位置分別放置第一擴束準直裝置(5)和第二擴束準直裝置(6)，在所述的掃描平臺(8)上放置待光刻的基片，紫外雷射器(1)輸出的紫外光束，通過第一半透半返鏡(2)分成透射光束和反射光束，然後利用兩塊第一反射鏡(3)、第二反射鏡(4)引入到兩套對稱放置的第一擴束準直裝置(5)、第二擴束準直裝置(6)中，最後擴束的兩束平行光經過所述的柱面鏡(7)相交於待掃描基片上，形成高密度的光柵條紋場；其中一束透射光束或反射光束經過的準直透鏡固定在一個精密升降臺上，通過調節準直透鏡的高度，實現連續調節準直光束的出射方向，從而使兩束光幹涉的角度發生連續的轉動，於是光柵條紋的方向也隨之連續變化，以保證光柵條紋的方向與掃描平臺移動的方向精確一致；所述的柱面鏡(7)置於三維調整架上，使所述的柱面鏡(7)放置在所述的掃描基片平面之前的光路中，所述的柱面鏡(7)及其所述的三維調整架固定在精密移動壓電陶瓷上，調節所述的三維調整架，使所述的柱面鏡(7)與所述的掃描基片平面之間距為所述的柱面鏡的焦距，以在所述的掃描基片上形成一排高密度的光柵點陣；使所述的柱面鏡(7)的圓柱方向與光柵條紋方向保持垂直；同時所述的柱面鏡相對於入射的雙光束對稱放置，並且光束中心與柱面鏡中線在同一平面內；所述的自動聚焦系統包括紅光半導體雷射器(9)，在所述的掃描平臺(8)的正上方依次設置第二半透半反鏡(10)、像散透鏡(11)和四象限探測器(12)，所述的第二半透半反鏡(10)與所述的紅光半導體雷射器(9)發出的光束和自所述的掃描基片平面反射的光束成45°，所述的四象限探測器(12)對所述的掃描基片平面進行離焦檢測，該四象限探測器 (12)輸出的離焦信號輸入計算機，計算機控制PZT移動裝置實時快速調節柱面鏡的位置， 保證掃描過程中基片平面始終與柱面鏡焦面保持一致。
全文摘要
一種基於柱面鏡聚焦的全息掃描高密度光柵的製備裝置，該裝置包括雙光束全息幹涉光路，柱面鏡，掃描平臺和自動聚焦系統，由紫外雷射器、第一半透半反鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第一擴束準直裝置、第二擴束準直裝置、柱面鏡、掃描平臺、紅光雷射器、第二半透半反鏡、像散透鏡、四象限探測器組成，本發明裝置可以實現高密度光柵的並行光刻，裝置具有穩定性好、並行度高、光柵加工速度快等優點。
文檔編號G03H1/12GK102566391SQ20121003382
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月16日 優先權日2012年2月16日
發明者俞斌, 周常河, 曹紅超, 王少卿, 賈偉, 麻健勇 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所