CN101916042A - 多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统 - Google Patents

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王作斌
翁占坤
宋正勋
胡贞
刘兰娇
侯煜
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Abstract

半导体激光干涉纳米光刻技术及系统的原理是：利用半导体脉冲激光，通过分束得到所需的两束或多束相干光，这些相干光经过耦合、扩束、整形，利用干涉场中光强的重新分布在材料表面形成周期性干涉图样。利用该系统进行光刻时，可以无需掩模而直接在光敏材料上进行干涉曝光然后进行刻蚀。由于利用光纤分束装置作为分光器，使得光路的复杂度大幅降低，系统更加稳定可靠，而且使得从两光束到多光束的选择更加灵活方便。

Description

多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统
技术领域
本发明涉及一种微纳表面结构制造技术及系统，具体涉及一种结构简单且低成本的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，可广泛应用于信息存储、先进制造、新能源和新材料等科技领域。
技术背景
激光干涉光刻的原理是利用两束或多束激光干涉产生的干涉图案阵列的能量分布与材料相互作用而制造出表面的微纳米结构。干涉图案可以是线(二光束干涉)或二维点阵列(多光束干涉)的能量分布。该技术具有特征尺寸、形状和周期从纳米到微米连续可调的优点。在空气中，周期最小可接近1/2波长。激光干涉光刻提供了一种在激光相干范围内大面积制造周期性或准周期性微纳米结构表面的技术。其潜在应用包括：一维/二维纳米光栅、防伪标识、宽带光学减反膜、自清洁表面、纳米过滤器、光子晶体及利用激光干涉控制的纳米材料制造等。
目前的激光干涉光刻方法中，主要是以传统的光刻系统设计思路为主，所采用的激光器体积相对较大，而且分光系统的光路设计也非常复杂使得整个光刻系统的复杂度和价格很高，不但无便携性可言，也极大地限制了系统的应用范围。例如在传统光刻系统中，激光器一般都固定在室内的某一特定位置，曝光方式或是单次曝光或是旋转、移位样本平台的多次曝光，而且由于分光系统的复杂性使得对相干光束的入射角和相位精密调节相对困难，从两光束干涉到多光束干涉的选择也会引起光路的较大改变，灵活性不高。为克服上述技术的缺点，本发明公开一种结构简单且低成本的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统。
关于激光干涉光刻技术参考：
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发明内容
本发明的目的在于克服现有的系统和方法的不足，提出一种结构简单、系统复杂度低、系统调制灵活的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统。
本发明的实现方法为：利用半导体激光器作为光源，其发出的激光束经过耦合分光器件后被分成多束相干光，每一束相干光由耦合器上的激光光纤导出，在光纤的末端接有整形耦合器用来对光束进行准直扩束使其成为较理想的平面波，干涉入射光的入射角、相位和空间位置等参数的调节是通过耦合器控制部件来实现的，计算机操纵控制部件来决定材料表面所得到的干涉图样的周期、特征尺寸和形状。
本发明与现有系统相比的优点：
利用多光束激光干涉原理，使得两束或多束激光干涉产生的干涉图案阵列的能量分布与材料相互作用而制造出表面的微纳米结构，所得的特征尺寸、形状和周期从纳米到微米连续可调的优点，提供了一种在激光相干范围内大面积制造周期性或准周期性微纳米结构表面的方法。
采用了半导体激光器作为系统的光源。半导体激光与其他激光光源相比，具有较低的价格和较小的体积，这也使得系统的体积小、成本低且重量轻。由于激光器的小体积，系统可以通过移动激光器的方式进行扫描和曝光，有利于提高系统运行效率，适合大面积微纳结构的制造。
光纤分束器作为分光元件被采用，可以替代以光栅、分光棱镜和分光镜为主的传统的分光系统，极大地降低了系统的复杂程度，提高了整个光刻系统的灵活性。因此，用半导体激光器构建的系统具有便携特点，应用环境和领域将更为广泛。
附图说明
图1所示为利用发明的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统实现四光束光刻。
图2所示为利用发明的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统得到的一维及二维图案阵列。
具体实施方式
如图1所示，本发明采用的半导体激光干涉纳米光刻系统包括半导体激光器(波长405nm)1，光纤耦合分束器2，光束整形耦合器及其控制位移部件3至6，激光光纤7到10，三维纳米位移及可水平旋转90°样品平台11，计算机12。由计算机控制半导体激光器1发出的激光经分束耦合器2分束，分出的四束相干光由激光光纤7至10分别传输，这四束光经过光束整形耦合器及其控制部件3至6后，最终在样品平台11表面干涉，在涂有光刻胶的样品上曝光形成周期性干涉图样，并通过刻蚀获得相应的材料表面微纳结构。图2是利用上述系统得到的一维及二维图案阵列。
上述的分束器由光纤分束器来实现，由此可以实现从四光束的分光。计算机通过控制位移部件对整形耦合器进行调节，改变相干光束的入射角、光束位置、相位等参数，从而得到相应的周期性干涉图样(包括周期、特征尺寸和形状选择)。样品平台可以手动调节，也可以用计算机进行调节控制。

Claims (15)

1.多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统的特征是：利用半导体脉冲激光，通过耦合分束器得到所需的两束或多束相干光，这些相干光在经过耦合、扩束、准直，利用干涉场中的光强分布在光敏材料表面形成周期性干涉图样。
2.根据权利要求1所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，通过改变入射光的个数来改变所得干涉图样的结构，如两光束、三光束和四光束入射。
3.根据权利要求1和2所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，可以通过改变入射光束的入射角来改变干涉图样的周期，也可以通过改变入射光的空间角来改变干涉图形的结构。
4.根据权利要求1至3所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，其曝光表面既可以是平面，也可以是非平面。
5.根据权利要求1至3所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，系统曝光既可以是干涉后单次曝光如四光束干涉，也可以采用多次曝光如双光束干涉。
6.根据权利要求5所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，采用多次曝光时，既可以通过样品所在平面的转动实现，也可以通过改变入射光的空间位置来实现。
7.根据权利要求1至4所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，包括半导体激光器、激光耦合分束器、光束整形耦合器、激光光纤以及耦合器控制部件等元件组成。通过调整耦合分束器、整形耦合器和控制部件，可以控制相干光束的个数并调整偏振和入射角，从而得到不同周期、不同特征尺寸和不同结构的周期性图样。
8.根据权利要求1至6所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，其特征也在于：对于激光耦合分束器的实现，既可以采用光纤分束器来进行分束，也可以利用光栅、分光棱镜和传统的分光镜等元件所构成的分光光路来实现分束。
9.根据权利要求1和8所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，对于相干光束数的选择可通过采用不同的光纤输出数来实现。
10.根据权利要求9所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，对于光束的整形和准直，可以直接使用光束整形耦合器件实现，也可以利用空间滤波器或透镜组等达到准直和整形的目的。
11.根据权利要求7所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，耦合器控制部件被用来对整形耦合器的空间位置和空间角度进行控制，控制部件同时也与计算机相连接实现位移和角度的精确计算和操控，这样就可以通过控制双光束或多光束干涉的入射角或相位变化来最终控制所得表面周期结构的特征尺寸、周期和形状。
12.根据权利要求1至7所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，可利用样本平台的旋转和位移，然后再通过多次曝光来形成所需要的周期结构和面积。同样，也可固定平台，通过移动干涉图案产生系统多次曝光来形成所需要的周期结构和面积。
13.根据权利要求1至6所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，在对材料进行加工时既可以选择阈值相对较低的材料来直接进行光刻，也可以直接曝光涂覆有光敏材料的材料表面，然后进行刻蚀形成微纳结构。
14.根据权利要求1所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，脉冲激光曝光模式可用计算机控制半导体激光器或电子快门实现。
15.根据权利要求1至8所述的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及系统，可以根据材料的光刻阈值选择干涉光的入射角并控制曝光能量，可以实现其光刻特征尺寸从22纳米到微米级连续可调。
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