CN102253605A - 多光束激光并行直写光栅的装置及光栅直写方法 - Google Patents

Abstract

一种多光束激光并行直写光栅的装置及光栅直写方法，包括刻写光路、探测光路和控制模块三部分，其特点是在刻写光路中设置了达曼光栅分光器件，使刻写光栅的效率比传统的单光束激光直写装置提高了几十倍。

Description

多光束激光并行直写光栅的装置及光栅直写方法

技术领域

本发明是用于微光学器件加工的多光束并行直写装置，特别是一种多光束激光并行直写光栅的装置及光栅直写方法。 

背景技术

随着半导体制造业的发展，微光学器件制造的光刻技术受到越来越多的重视。经过近几十年的发展，在光刻领域，主要发展起来了投影光刻，纳米压印光刻，电子束直写光刻，空间调制光光刻，激光直写光刻等几种技术。其中，激光直写技术由于其无需掩膜，结构相对简单，造价低和对环境要求较低等优点，在微电子，微光学和科学研究等领域得到广泛的应用。 

由于激光直写装置的诸多优点，国际上诸如意大利，德国，俄罗斯等国家先后都对它进行了相关方面的研究。中国在激光直写技术方面起步比较晚，但是也取得了一定的成绩，长春光机所，浙江大学，苏州大学和哈尔滨工业大学都进行了相关方面的研究。 

但是，现在困扰激光直写装置进一步发展的原因主要是刻写速度和精度都不高，刻写速度慢。为了能够刻写大尺寸的光学器件，人们先后发明了基于波带片阵列的无掩膜光刻技术，基于微透镜阵列的无掩膜光刻技术，基于掩模板的投影扫描光刻技术。其中，波带片的衍射效率较低，需要设计适合于刻写和检测焦距两种类型的波带片，影响调焦的精确和实时性；微透镜阵列和针孔阵列的对准误差较大，系统结构复杂，对光刻物镜的要求极高，很难实现全视场像差校正；无缝投影光刻扫描技术系统结构复杂，价格极其昂贵。 

 中国科学院上海光机所范永涛发明了一套模块化的激光直刻装置，申请号(200720072320)。结构图见图1。该装置是一种模块化的激光直刻装置，整套装置采用模块化设计，由激光调制模块、光点扫描模块、激光功率检测模块、自动聚焦模块、控制和检测模块构成。系统将激光器发出的平行激光会聚成光点聚焦在待刻写的样品表面，利用计算机控制射向样品表面的激光强度的同时控制样品移动，即可在样品表面形成具有灰度分布的二维图形。该实用新型可以在不需掩模的情况下直接在光或热阻薄膜材料表面形成纳米构造，具有加工周期短、灵活性高、适用范围广、模块化程度高、加工精度高、可扩展性强等特点。 

但是，他们的这套装置是针对非线性材料表面纳米光刻的，对刻写光栅还需要做进一步的改进；其次，该装置是单光束刻写，因此效率比较低，不适合批量化的生产光栅。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种多光束激光并行直写光栅的装置及光栅直写方法，以提高激光直写光栅的速度。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种多光束激光并行直写光栅的装置，包括刻写光路、探测光路和控制模块三部分，其特点在于：

所述的刻写光路包括蓝光激光器，沿蓝光激光器输出光束方向，依次是同轴的小孔光阑、扩束透镜组、达曼光栅、4F透镜组、方形光衰减片、光谱分光镜，在该光谱分光镜的反射方向是显微物镜，光束经过显微物镜后聚焦在精密水平台上的待刻写的光栅模板上；

所述的探测光路包括红光激光器，在红光激光器出射的线偏振平行光束经偏振分光棱镜反射后垂直向下依次经四分之一波片后变为圆偏振光，再经过光谱分光镜和显微物镜，与所述的蓝光光束重合并聚焦在待刻写的光栅模板上，经待刻写的光栅模板反射后，再依次透过光谱分光棱镜和四分之一波片后，成为与入射光束偏振方向相垂直的线偏振光，透过所述的偏振分光棱镜，再经过滤波片、消象散透镜组，由信号采集传感器采集；

所述的控制模块包括计算机，所述的信号采集传感器的输出端经数据采集卡与计算机的输入端相连，该计算机的一个输出端经PZT控制器与精密压电纳米定位仪的控制端相连，所述的计算机根据所述数据采集卡输入的信号采集传感器的信号，输出相应的控制信号，通过所述的PZT控制器的驱动所述的精密压电纳米定位仪，调整所述的显微物镜的位置，使焦点始终位于所述的待刻写的光栅模板上，该计算机的另一输出端经平台控制器控制所述的二维位移平台的位移带动所述的精密水平台的运动。

所述的方形光衰减片位于所述的4F透镜组中间的公共焦面上。 

利用权利要求1所述的多光束激光并行直写光栅的装置进行光栅直写的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：  

①根据要刻写的光栅的周期，计算出要使用何种分束能力的达曼光栅，并把它置于该光路中的相应位置；

    ②打开计算机、红光激光器、蓝光激光器和数据采集卡的电源和开关；

③打开计算机的刻写软件和自动聚焦扫描软件，在软件界面上设置相关参数；

④用挡板把蓝光挡住，在精密水平台上放入待刻写的光栅模板；调节精密水平台，使待刻写的光栅模板逐渐接近显微物镜的焦点；当自动聚焦扫描软件的界面显示待刻写的光栅模板正处在显微物镜的焦点时，锁定扫描的范围和精密水平台； 

⑤用手把挡板拿开，点击刻写软件界面上的运行按钮，装置开始刻写；

⑥刻写完后，取出刻写后的光栅模板，经过显影，去铬，烘干后，得到所需要的光栅成品。

本发明的技术效果如下： 

1、本发明由于采用达曼光栅作为分光器件，达曼光栅分光器件，是可产生1×8,1×25,1×64等不同分光束的分光器件。达曼光栅是一种具有特定位相变换的二元光学元件，它是位相光栅，有较高的衍射效率。其次，这些级次之间的能量非常均匀，这些特点使达曼光栅特别适合于激光束刻写系统中。同时，对于达曼光栅而言，干涉场拼接问题的影响比较小，在刻写的视场范围内，各个聚焦点的形状和能量是非常一致，点与点之间的间距是严格的线性。这些特性使达曼光栅非常适合大面积高精度光栅的制作。使刻写光栅的效率比传统的单光束激光直写装置提高几十倍。

2、实验表明，刻写出的光栅做扫描电镜的图像整体均匀一致，没有明显的拼接误差，说明可以采用达曼光栅实现并行的激光直写。 

附图说明

图 1 见申请号为200720072320的说明书附图。 

图2 是本发明多光束激光并行直写光栅的装置实施例的结构示意图。 

图中：1—计算机，2—二维移动平台控制器，3—数据采集卡，4—PZT控制器,5—蓝光激光器，6—小孔光阑，7—扩束透镜组，8—达曼光栅，9—4F透镜组。10 方形滤光片，11—信号采集传感器，12—消象散透镜，13—滤光片，14—红光激光器， 15—偏振分光棱镜，16—四分之一波片，17—光谱分光镜，18—精密压电纳米定位仪（PZT），19—显微物镜，20—光栅模板，21—精密水平台， 22—二维位移平台。 

图 3是利用本发明装置刻写出来的光栅在扫描电镜下拍的照片。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 

先请参阅图2，图2 是本发明多光束激光并行直写光栅的装置实施例的结构示意图。由图可见，本发明多光束激光并行直写光栅的装置，包括刻写光路、探测光路和控制模块三部分，其特点在于： 

所述的刻写光路包括蓝光激光器5，沿蓝光激光器5输出光束方向，依次是同轴的小孔光阑6、扩束透镜组7、达曼光栅8、4F透镜组9、方形光衰减片10、光谱分光镜17，在该光谱分光镜17的反射方向是显微物镜19，光束经过显微物镜19后聚焦在精密水平台21上的待刻写的光栅模板20上，所述的方形光衰减片10位于所述的4F透镜组9之间；

所述的探测光路包括红光激光器14，在红光激光器14出射的线偏振平行光束经偏振分光棱镜15反射后垂直向下依次经四分之一波片16后变为圆偏振光，再经过光谱分光镜17和显微物镜19，与所述的蓝光光束重合并聚焦在待刻写的光栅模板20上，经待刻写的光栅模板20反射后，再依次透过光谱分光棱镜17和四分之一波片16后，成为与入射光束偏振方向相垂直的线偏振光，透过所述的偏振分光棱镜15，再经过滤波片13、消象散透镜组12，由信号采集传感器11采集；

所述的控制模块包括计算机1，所述的信号采集传感器11的输出端经数据采集卡3与计算机1的输入端相连，该计算机1的一个输出端经PZT控制器4与精密压电纳米定位仪18的控制端相连，所述的计算机1根据所述数据采集卡3输入的信号采集传感器11的信号，输出相应的控制信号，通过所述的PZT控制器4的驱动所述的精密压电纳米定位仪18，调整所述的显微物镜19的焦点始终位于所述的待刻写的光栅模板20上，该计算机1的另一输出端经平台控制器2控制所述的二维位移平台22的位移带动所述的精密水平台21的运动。

由蓝光激光器5输出的的光束经小孔光阑6进入扩束透镜组7进行光束扩束和准直，然后，激光束进入达曼光栅8分束，分束后的激光束经过4F透镜组9进行光束整形。在4F透镜组中间加入方形的光衰减片10可以对从达曼光栅出来的各个光束进行光束整形。整形后的光束在光谱分光镜17的反射下进入显微物镜19的后焦面。光束经过显微物镜后聚焦成一点，光束焦点在精密水平台21上的待刻写的光栅模板20进行刻写。 

聚焦光束红光的光线走向：红光激光器14出射的线偏振平行光束经由偏振分光棱镜15反射和透射。从偏振分光棱镜15反射出的红光经过四分之一波片16后变为圆偏振光，再经过光谱分光镜17和显微物镜19，偏振分光棱镜16的作用是使射入显微物镜19的蓝光光束和红光光束重合，显微物镜的作用是聚焦刻写光束。经过显微物镜19的红光聚焦在待刻写的光栅模板20上。 

聚焦光束经过待刻写的光栅模板20反射后的回程光，透过光谱分光棱镜17和四分之一波片16后，成为与入射光束偏振方向相垂直的线偏振光，因此，回程光会透过偏振分光棱镜15而不是原路返回至激光器。此后，回程光经过滤波片13，过滤掉蓝光及其它一些杂散光，仅有红光通过滤波片。红光光束透过消象散透镜组12进行消象散。最后入射至信号采集传感器11上。 

把达曼光栅加入到该装置的刻写光路中，需要解决的是针对不同的达曼光栅的各个级次的能量相等的问题。从理论上讲，从达曼光栅出来的各个光束的能量是相等的。由于实际加工工艺方面的局限，达曼光栅的零级光的能量一般比较高。为了减少达曼光栅对加工工艺方面的依赖，我们在达曼光栅后面加入了一个光束整形装置。该装置有两个直径为130mm的大透镜和一个方形的光衰减片构成。使用大透镜的一个作用是为了使各个光束分散开来，这样用一个方型的光衰减片就能达到对达曼光栅的零级光进行能量的衰减。使各个光束的能量相等。 

二 该装置主要用来在模板上刻写光栅图案，模板上面的光刻胶仅对蓝光敏感，因此要选择蓝光激光器作为刻写光源。其次，分辨率计算公式是σ=λ/NA;式中σ为最小分辨距离；λ为蓝光激光光线的波长；NA为物镜的数值孔径。为了刻写出尽可能细的线条，必须选用波长比较小的刻写光源和高数值孔径的显微物镜。综合以上因素，该实施例选用了波长为405nm的蓝光激光器和数值孔径为0.9的显微物镜。 

利用上述多光束激光并行直写光栅的装置进行光栅直写的方法，包括下列步骤：  

①根据要刻写的光栅的周期，计算出要使用何种分束能力的达曼光栅，并把它置于该光路中的相应位置；

    ②打开计算机1、红光激光器14、蓝光激光器5和数据采集卡3的电源和开关；

③打开计算机1的刻写软件和自动聚焦扫描软件，在软件界面上设置相关参数；

④用挡板把蓝光挡住，在精密水平台21上放入待刻写的光栅模板20；调节精密水平台21，使待刻写的光栅模板20逐渐接近显微物镜19的焦点；当自动聚焦扫描软件的界面显示待刻写的光栅模板正处在显微物镜的焦点时，锁定扫描的范围和精密水平台； 

⑤用手把挡板拿开，点击刻写软件界面上的运行按钮，装置开始刻写；

⑥刻写完后，取出刻写后的光栅模板20，经过显影，去铬，烘干后，得到所需要的光栅成品。

图 3是利用本实施例装置刻写出来的光栅在扫描电镜下拍的照片。实验表明，刻写出的光栅做扫描电镜的图像整体均匀一致，没有明显的拼接误差，说明可以采用达曼光栅实现并行的激光直写。 

Claims (3)

1.一种多光束激光并行直写光栅的装置，包括刻写光路、探测光路和控制模块三部分，其特征在于：

所述的刻写光路包括蓝光激光器（5），沿蓝光激光器（5）输出光束方向，是同轴的小孔光阑（6）、扩束透镜组（7）、达曼光栅（8）、4F透镜组（9）、方形光衰减片（10）、光谱分光镜（17），在该光谱分光镜（17）的反射方向是显微物镜（19），光束经过显微物镜（19）后聚焦在精密水平台（21）上的待刻写的光栅模板（20）上；

所述的探测光路包括红光激光器（14），在红光激光器（14）出射的线偏振平行光束经偏振分光棱镜（15）反射后垂直向下依次经四分之一波片（16）后变为圆偏振光，再经过光谱分光镜（17）和显微物镜（19），与所述的蓝光光束重合并聚焦在待刻写的光栅模板（20）上，经待刻写的光栅模板（20）反射后，再依次透过光谱分光棱镜（17）和四分之一波片（16）后，成为与入射光束偏振方向相垂直的线偏振光，透过所述的偏振分光棱镜（15），再经过滤波片（13）、消象散透镜组（12），由信号采集传感器（11）采集；

所述的控制模块包括计算机（1），所述的信号采集传感器（11）的输出端经数据采集卡（3）与计算机（1）的输入端相连，该计算机（1）的一个输出端经PZT控制器（4）与精密压电纳米定位仪（18）的控制端相连，所述的计算机（1）根据所述数据采集卡（3）输入的信号采集传感器（11）的信号，输出相应的控制信号，通过所述的PZT控制器（4）的驱动所述的精密压电纳米定位仪（18），调整所述的显微物镜（19）的焦点始终位于所述的待刻写的光栅模板（20）上，该计算机（1）的另一输出端经平台控制器（2）控制所述的二维位移平台（22）的位移带动所述的精密水平台（21）的运动。

2.根据权利要求1所述的多光束激光并行直写光栅的装置，其特征在于：所述的方形光衰减片（10）位于所述的4F透镜组（9）之间。

3.利用权利要求1所述的多光束激光并行直写光栅的装置进行光栅直写的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：  

①根据要刻写的光栅的周期，计算出要使用何种分束能力的达曼光栅，并把它置于该光路中的相应位置；

    ②打开计算机（1）、红光激光器（14）、蓝光激光器（5）和数据采集卡（3）的电源和开关；

③打开计算机（1）的刻写软件和自动聚焦扫描软件，在软件界面上设置相关参数；

④用挡板把蓝光挡住，在精密水平台（21）上放入待刻写的光栅模板（20）；调节精密水平台（21），使待刻写的光栅模板（20）逐渐接近显微物镜（19）的焦点；当自动聚焦扫描软件的界面显示待刻写的光栅模板正处在显微物镜的焦点时，锁定扫描的范围和精密水平台； 

⑤用手把挡板拿开，点击刻写软件界面上的运行按钮，装置开始刻写；

⑥刻写完后，取出刻写后的光栅模板（20），经过显影，去铬，烘干后，得到所需要的光栅成品。

Images