CN102565904B - 利用光栅成像扫描光刻制备大尺寸光栅的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用光栅成像后扫描光刻制备大尺寸光栅的方法，该方法包括：构建一个带有滤波装置的光栅成像光路系统；制备一片有锯齿形轮廓的位相光栅；利用步骤一所建立的光路，将位相光栅和基板引入光路中，使光栅清晰地成像于基板上；通过移动基板实现扫描光刻；将所述的完成扫描曝光基板进行显影、去铬、去胶、刻蚀再去铬这一系列工艺后即得到大尺寸光栅。本发明方法具有设备结构简单、不存在杂散光、能量利用率高的优点，在制作大尺寸光栅方面有很好的发展前景。

Description

利用光栅成像扫描光刻制备大尺寸光栅的方法

技术领域

本发明属于微纳光学制造技术，主要涉及制备大尺寸光栅的一种简单制造方法。

背景技术

衍射光栅是一种应用非常广泛且重要的高分辨率的色散光学元件，在现代光学仪器中占有相当重要的地位，它广泛应用于分光、测量、甚至可控约束核聚变等各个领域，例如，大尺寸光栅用于在激光核聚变项目上对激光脉冲进行压缩，其衍射效率可以达到95％以上。

在研制大尺寸光栅方面，国内外的许多研发机构都制作出了几百毫米量级的光栅，具有代表性的主要是有两种技术方案，一种就是全息法，还有一种是扫描干涉技术。

全息光栅是利用双激光光束干涉产生的，一次曝光就可以得到大面积的光栅，是目前大尺寸光栅的主要制造方法之一。美国的Lawrence Livermore NationalLaboratory(LNL)和法国Jobin Yvon公司都采用这种技术制造大尺寸光栅。全息法制造光栅的优点是整体光栅均匀一致，波面质量高，因此是目前大尺寸光栅制造的主流技术。但这个技术要求使用大口径的透镜，因此在制作大尺寸光栅时对透镜的尺寸及平整度要求很高，特别是米级光栅的制作要求米级尺寸的大口径透镜，如此大尺寸的透镜很难加工，因此这个技术制造大尺寸光栅有加工工艺的限制，同时随着光栅尺寸的增大，曝光时间会随之增长，要求其光栅条纹能够长期稳定，对于激光器的输出功率有非常高的要求。

另一种方案是以美国的Massachusetts Institute ofTechnology(MIT)为代表的扫描干涉拼接技术，他们采用的是一种称为Scanning Beam Interference Lithography(简称SBIL)的方法[Carl G Chen and Mark L. Schattenburg，A Brief History of Gratings andthe Making ofthe MIT Nanoruler，March 11，2004]，SBIL方法类似于传统的双光束干涉方法，该方法可以通过扫描拼接来获得大尺寸，不需要大口径透镜，但是由于双光束干涉后没有一个清晰的边界，因此对拼接要求很高，而且由于其两束光不是同光路共光轴，对相干性要求很高，其条纹均匀性也不是很好。

此外，制作大尺寸光栅的方法还有机械刻划法等。用机械刻划法制得的光栅刻槽是依次刻划产生的，存在周期性和随机性位移误差，这就导致了“鬼线”(伪谱线)的产生，同时由于刻刀刃微观豁口的存在，其杂散光较强，而且制作周期相当漫长，无法有效的解决大尺寸光栅的制备问题。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提出一种利用光栅成像扫描光刻制备大尺寸光栅的方法，其优点结构简单，通过光栅的衍射级次产生多束光，在其谱面选取±1级衍射级次，产生双光束实现干涉条纹。采用4F系统使光栅清晰成像在干涉区域，通过扫描技术制作大尺寸光栅。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用光栅成像扫描光刻制备大尺寸光栅的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①构建一个实现光栅成像的光路系统，包括激光器、第一反射镜、第二反射镜、扩束装置、准直透镜、位相光栅、第一透镜、空间滤波器、第二透镜和基板，所述的基板固定在可沿X轴即水平轴、Y轴即垂直轴精密移动的移动台上，所述的位相光栅置于一个旋转台上，所述的第一反射镜和第二反射镜与激光器的输出光路的夹角为45°，所述的激光器发出的光经过第一反射镜和第二反射镜反射后进入所述的扩束装置，经所述的扩束装置出来的光经过所述的准直透镜成为平行光，该平行光依次经所述的位相光栅、第一透镜、空间滤波器、第二透镜照射在所述的基板上，所述的位相光栅、第一透镜、空间滤波器、第二透镜和基板构成4F成像系统；

②将所述的位相光栅固定在旋转台上，使所述的位相光栅能在垂直于入射光线的平面内旋转，以利于调整位相光栅的条纹方向和基板移动方向之间的夹角；

③在所述的基板位置安装一块相似的试验基片，调整使所述的位相光栅的光栅平面与平行光入射方向垂直，并位于成像系统的第一透镜的前焦面上，空间滤波器位于成像系统的频谱面上，驱动所述的移动台使所述的试验基片位于所述的第二透镜的后焦面上，所述的位相光栅在所述的试验基片上成实像，启动所述的光路系统，曝光一次，然后沿着Y轴移动一定距离再曝光一次，在显微镜下观察两次曝光后得到的条纹图像，再仔细调整所述的旋转台，经多次曝光试验后实现光栅的条纹方向与Y轴运动方向平行；

④将所述的基板安装在所述的移动台上，驱动所述的移动台，带动所述的基板移动，启动所述的光路系统，使所述的位相光栅在所述的基板上成实像，并位于基板左上角的扫描初始位置，使基板的像位置曝光；

⑤驱动所述的移动台，带动所述的基板沿Y轴方向向下移动扫描，实现在Y轴方向上扫描曝光，然后驱动所述的移动台在X轴方向上移动一个与所述的位相光栅的横向尺寸相当的距离后，再自上而下或自下而上继续驱动所述的移动台沿Y轴方向移动扫描曝光，扫描曝光产生的光栅实现无缝拼接；

⑥重复步骤⑤直至完成所述的基板扫描曝光；

⑦将所述的完成扫描曝光基板进行显影、去铬、去胶、刻蚀再去铬这一系列工艺后即得到大尺寸光栅。

所述的位相光栅有锯齿形的轮廓，经过所述的4F成像系统后将位相光栅的锯齿形边界清晰地成像在基板上，另外通过使用位相光栅削弱了0级出射光束的能量，增强了±1级出射光束的能量，同时在光栅表面镀上增透膜，这样就充分利用了激光器的能量用于±1级干涉。

本发明的技术效果如下：

本发明利用位相光栅的衍射级次产生多束光，在4F系统的频谱面上用滤波器选取±1级衍射级次，产生双光束实现干涉条纹。同时经过4F系统后使光栅成像在干涉区域，该实像具有一个清晰边界，就能通过扫描技术制作大尺寸光栅。具有结构简单、不存在杂散光、能量利用率高特点，是一种新型的、有效的制备大尺寸光栅的方法。

附图说明

图1是本发明中实现光栅成像的装置结构图；

图2是本发明采用的4F成像系统。

图3是本发明采用的位相光栅形状示意图；

图4是本发明中用于调节位相光栅条纹方向和平台的Y轴移动方向，在试验基片上两次曝光后得到的示意图；

图5是本发明中在基板上的扫描拼接示意图；

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。

一种利用光栅成像扫描光刻制备大尺寸光栅的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①构建一个实现光栅成像的光路系统，先请参阅图1，包括激光器1、第一反射镜2、第二反射镜3、扩束装置4、准直透镜5、位相光栅6、第一透镜7、空间滤波器8、第二透镜9和基板10，所述的基板10固定在可沿X轴即水平轴、Y轴即垂直轴精密移动的移动台(图中未示)上，所述的位相光栅6置于一个旋转台(图中未示)上，所述的第一反射镜2和第二反射镜3与激光器1的输出光路的夹角为45°，所述的激光器1发出的光经过第一反射镜2和第二反射镜3反射后进入所述的扩束装置4，经所述的扩束装置4出来的光经过所述的准直透镜5成为平行光，该平行光依次经所述的位相光栅6、第一透镜7、空间滤波器8、第二透镜9照射在所述的基板10上，所述的位相光栅6、第一透镜7、空间滤波器8、第二透镜9和基板10构成4F成像系统；

②将所述的位相光栅6固定在旋转台上，使所述的位相光栅6能在垂直于入射光线的平面内旋转，以利于调整位相光栅6的条纹方向和基板10移动方向之间的夹角；

③在所述的基板10位置安装一块相似的试验基片，调整使所述的位相光栅6的光栅平面与平行光入射方向垂直，并位于成像系统的第一透镜7的前焦面上，空间滤波器8位于成像系统的频谱面上，驱动所述的移动台使所述的试验基片位于所述的第二透镜9的后焦面上，所述的位相光栅6在所述的试验基片上成实像，启动所述的光路系统，曝光一次，然后沿着Y轴移动一定距离再曝光一次，在显微镜下观察两次曝光后得到的条纹图像，再仔细调整所述的旋转台和移动台，经多次曝光试验后实现光栅的条纹方向与Y轴运动方向平行；

④将所述的基板10安装在所述的移动台上，驱动所述的移动台，带动所述的基板10移动，启动所述的光路系统，使所述的位相光栅6在所述的基板10上成实像，并位于基板10左上角的扫描初始位置，使基板10的像位置曝光；

⑤驱动所述的移动台，带动所述的基板10沿Y轴方向向下移动扫描，实现在Y轴方向上扫描曝光，然后驱动所述的移动台在X轴方向上移动一个与所述的位相光栅6的横向尺寸相当的距离后，再自上而下或自下而上继续驱动所述的移动台沿Y轴方向移动扫描曝光，扫描曝光产生的光栅实现无缝拼接；

⑥重复步骤⑤直至完成所述的基板10扫描曝光；

⑦将所述的完成扫描曝光基板10进行显影、去铬、去胶、刻蚀再去铬这一系列工艺后即得到大尺寸光栅。

所述的位相光栅有锯齿形的轮廓，经过所述的4F成像系统后将位相光栅的锯齿形边界成像在基板10上，另外通过使用位相光栅削弱了0级出射光束的能量，增强了±1级出射光束的能量，同时在光栅表面镀上增透膜，这样就充分利用了激光器的能量用于±1级干涉。

图2是本发明采用的4F成像系统。

图3是本发明采用的位相光栅形状示意图，所述的位相光栅，将一片有锯齿形轮廓的模板光栅，运用湿法刻蚀的方法制备位相光栅6，如图3所示，使其衍射产生的±1级出射光的能量增强，0级能量减弱，同时在位相光栅6表面镀上增透膜，将其固定在一旋转台上，使其能在垂直于入射光线的平面内旋转，以利于调整光栅6的条纹方向与基板移动方向的夹角。

将位相光栅6固定在一旋转台上，使其能在垂直于入射光线的平面内旋转，将基板10固定在可沿X轴即水平轴、Y轴即垂直轴精密移动的移动台上，同时使基板10表面平行于位相光栅面。基板10处放置一片试验基片，曝光一次，将移动台沿Y轴方向移动一距离(c)，再曝光一次，将两次曝光后的基片显影、去铬之后在显微镜下观察前后两次条纹方向是否发生偏移，如果偏移，则旋转位相光栅6，继续用新的试验基片重复上述过程直至两次曝光后条纹方向没有发生偏移，这样就实现了光栅的条纹方向与Y轴方向的严格平行，如图4所示。

通过移动基板10实现扫描光刻，位相光栅6的条纹方向与平台的一个运动方向平行后，沿着条纹方向移动平台，实现在一个方向上扫描，同时，在垂直条纹方向上移动一固定距离(a+b)，其中锯齿部分(宽度为b)重叠扫描，达到能量均匀且条纹匹配，这样两次扫描后形成的光栅就实现了无缝拼接，如图5所示，多次扫描后得到的基板10经过显影、去铬、去胶、刻蚀再去铬这一系列工艺后[参见Shunquan Wang，Changhe Zhou，Huayi Ru，and Yanyan Zhang，“Optimized condition for etching fused-silica phase gratings with inductively coupled plasma technology，”Appl.Opt.44，4429-4434，2005]即可得到大尺寸光栅。

对于制得的大尺寸光栅密度，根据衍射光栅方程，各级主极大由光栅周期d，光线入射角i，出射角θ以及衍射级次m决定，表达式如下：

Δ＝d(sini+sinθ)＝mλ

当入射光为入射角i＝0的平行光束时，其±1级衍射光束的夹角为ω＝2θ，其中

sinθ＝λ/d

对于两束光干涉产生的干涉条纹其条纹间距e与相干光束的夹角ω′有关，有

$e=\mathrm{\λ}/\left(2\sin \frac{{\mathrm{\ω}}^{\′}}{2}\right)$

在本发明中大尺寸光栅的周期即为条纹间距e。

本发明一个实施例的具体参数如下：图1中的激光器采用中心波长为442nm的He-Cd激光器，第一面反射镜2和第二面反射镜3为玻璃基底镀铝反射镜，扩束系统4由显微物镜和针孔的组成，透镜5的焦距为400mm、直径100mm，模板光栅的周期为40um，带有锯齿形的轮廓，外形参数为a＝30mm，b＝1mm，c＝6mm，用湿法刻蚀制得的位相光栅6采用K9光学玻璃，其周期也为40um，刻槽深度为442nm，位相光栅的外形参数同模板光栅也为a＝30mm，b＝1mm，c＝6mm，透镜7和透镜9的焦距为700mm、直径120mm，空间滤波器8为开有两个小孔的光阑，只允许±1级的衍射光通过，基板10采用表面镀有光刻胶的K9光学玻璃。

利用上述实验设备搭建图1所示的光路图，最终在基板10上成一个与位相光栅等大的实像。在试验基片(位于基板10的位置)上曝光一次，然后将移动台沿着Y轴方向移动6mm再曝光一次，在显微镜下观察两次曝光后得到的条纹图像，多次试验后实现条纹方向与Y轴方向平行。最后在基板10上进行大面积扫描，先将基板10沿着Y轴正方向平移距离300mm，然后沿着X轴正方向平移31mm，再沿着Y轴负方向移动300mm，使重叠扫描部分能量均匀且条纹匹配，再沿着X轴正方向平移31mm，重复上述类似方波形的扫描路线，将多次扫描后得到的基板10经过显影、去铬、去胶、刻蚀再去铬这一系列工艺后即可得到大尺寸光栅。

对于制得的光栅密度，由于采用4F系统，衍射光束的夹角ω与相干光束的夹角ω′相等，因此有制得的大尺寸光栅的周期为位相光栅6周期的一半，即20um。

Claims (1)

1.一种利用光栅成像扫描光刻制备大尺寸光栅的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①构建一个实现光栅成像的光路系统，包括激光器（1）、第一反射镜（2）、第二反射镜（3）、扩束装置（4）、准直透镜（5）、位相光栅（6）、第一透镜（7）、空间滤波器（8）、第二透镜（9）和基板（10），所述的基板（10）固定在可沿X轴即水平轴、Y轴即垂直轴精密移动的移动台上，所述的位相光栅（6）置于一个旋转台上，所述的第一反射镜（2）和第二反射镜（3）与激光器（1）的输出光路的夹角为45°，所述的激光器（1）发出的光经过第一反射镜（2）和第二反射镜（3）反射后进入所述的扩束装置（4），经所述的扩束装置（4）出来的光经过所述的准直透镜（5）成为平行光，该平行光依次经所述的位相光栅（6）、第一透镜（7）、空间滤波器（8）、第二透镜（9）照射在所述的基板（10）上，所述的位相光栅（6）、第一透镜（7）、空间滤波器（8）、第二透镜（9）和基板（10）构成4F成像系统；

②将所述的位相光栅（6）固定在旋转台上，使所述的位相光栅（6）能在垂直于入射光线的平面内旋转，以利于调整位相光栅（6）的条纹方向和基板（10）移动方向之间的夹角；

③在所述的基板（10）位置安装一块相似的试验基片，调整使所述的位相光栅（6）的光栅平面与平行光入射方向垂直，并位于4F成像系统的第一透镜（7）的前焦面上，空间滤波器（8）位于4F成像系统的频谱面上，驱动所述的移动台使所述的试验基片位于所述的第二透镜（9）的后焦面上，所述的位相光栅（6）在所述的试验基片上成实像，启动所述的光路系统，曝光一次，然后将试验基片沿着Y轴移动一定距离再曝光一次，在显微镜下观察两次曝光后得到的条纹图像，再仔细调整所述的旋转台，经多次曝光试验后实现位相光栅的条纹方向与Y轴运动方向平行；

④将所述的基板（10）安装在所述的移动台上，驱动所述的移动台，带动所述的基板（10）移动，启动所述的光路系统，使所述的位相光栅（6）在所述的基板（10）上成实像，并位于基板（10）左上角的扫描初始位置，使基板（10）的像位置曝光；

⑤驱动所述的移动台，带动所述的基板（10）沿Y轴方向向下移动扫描实现在Y轴方向上扫描光刻，然后驱动所述的移动台在X轴方向上移动一个与所述的位相光栅（6）的横向尺寸相当的距离后，再自上而下或自下而上继续驱动所述的移动台沿Y轴方向移动扫描曝光，扫描曝光产生的光栅实现无缝拼接；

⑥重复步骤⑤直至完成所述的基板（10）扫描曝光；

⑦将所述的完成扫描曝光基板（10）进行显影、去铬、去胶、刻蚀再去铬这一系列工艺后即得到大尺寸光栅。

Images