CN102566391B - 基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置 - Google Patents

Abstract

一种基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置，该装置包括双光束全息干涉光路，柱面镜，扫描平台和自动聚焦系统，由紫外激光器、第一半透半反镜、第一反射镜、第二反射镜、第一扩束准直装置、第二扩束准直装置、柱面镜、扫描平台、红光激光器、第二半透半反镜、像散透镜、四象限探测器组成，本发明装置可以实现高密度光栅的并行光刻，装置具有稳定性好、并行度高、光栅加工速度快等优点。

Description

基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置

技术领域

本发明涉及高密度光栅制备技术，特别是一种基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置。

技术背景

光栅器件作为一种非常基础的光学元件，在光谱分析、光纤通信、光学测量、空间科学、激光演示等领域有广泛的应用，特别是大尺寸的高密度光栅，在国家大工程如激光核聚变中有非常重要的用途。随着科学技术的发展，其应用的范围也将进一步扩大，同时对光栅尺寸和光栅性能的要求也会进一步提高。

目前国际上主要采用的光栅制作方法是传统的全息干涉曝光技术，如法国HORIBA Jobin Yvon公司商业生产的光栅，基本是通过两束平行光干涉形成高密度光栅条纹，然后进行光刻。我国也有几家研究机构利用全息法制作光栅，包括苏州大学，中科院上海光学精密机械研究所等。这种方法可以制作密度很高的光栅，同时周期性也能得到保证，但是它也面临一些严重的问题。随着光栅尺寸的不断增大（如米级光栅），需要的光束也随之增大，而要实现大尺寸均匀的平行光束，需要有高质量大尺寸的透镜，这种透镜的加工成本是极其昂贵的，同时对现有的透镜加工工艺也是一个极大的挑战。

由于传统的光学全息干涉曝光技术受到透镜尺寸的限制，开始出现一些其他的直写光栅制备技术，如通过直接刻划的方式进行大面积光栅制作的技术，中科院长春光机所国家光栅工程中心主要采用金刚石刀具进行精密刻划实现大尺寸高密度光栅制作。这种光栅刻划技术最大的缺陷在于它的加工效率，由于一次只能刻划一条线，要实现米级光栅的制备，需要很长的时间。这对加工平台以及环境的长期稳定性提出了非常苛刻的要求，同时由于金刚石刀具会在刻划过程中不断磨损，需要更换刀头，这必然会对制备的光栅的性能产生一定影响。

一种比较好的光栅直写制备技术是利用激光进行并行光刻，这不仅可以提高加工效率缩短时间，同时激光器性能在光刻过程中也不会发生改变，因此可以保证并行光刻的一致性。目前最具代表性的是美国MIT开发的一种称为SBIL（Scanning Beam Interference Lithography）的并行直写光栅技术（参见“Nanometer-accurate grating fabrication with scanning beam interference lithography”SPIE, 4936, 126-134（2002）），该技术在传统的全息干涉光路的基础上，增加了精密扫描和控制模块，利用全息干涉形成的光栅进行扫描光刻，可以几万倍甚至几十万倍的提高加工效率。同时这种方法的可扩展性也很好，依靠高精度的扫描平台，目前该技术可以制作900mm大小的高密度光栅。但是，这种技术的不足之处在于，采用的光束的光斑是高斯型的，因此需要在拼接的时候有一定程度的光斑叠加，而在光斑叠加时不仅要满足激光能量的匹配，而且光栅条纹也要严格对准，同时光栅场要保持高度的稳定性，这就对光刻工艺和控制技术提出了很高的要求。另外该技术通常还需要精密的旋转装置，用于转动扫描平台，使扫描平台的移动方向与光栅条纹方向保持一致，因此也会增加装置的复杂程度。

发明内容

本发明针对美国MIT的SBIL技术进行了改进，提出一种基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置，该装置形成一排高密度的光束点阵对扫描基片进行并行扫描光刻，提高了并行扫描光刻的稳定性，并降低了光栅拼接的难度；可以保证扫描基片的扫描平面和柱面镜的焦面始终保持一致；同时，通过改进传统的双光束干涉光路，可以连续改变光栅条纹的方向，因此能够方便的实现光栅条纹方向与扫描平台方向一致；装置可以实现高密度光栅的并行光刻，装置具有稳定性好、并行度高、光栅加工速度快等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置，其特点在于：该装置包括双光束全息干涉光路，用于产生高密度的光栅条纹场；柱面镜，可以将二维光栅场聚焦成一维高密度点阵；扫描平台，用于置放扫描基片并实现扫描基片的精确定位和扫描移动；自聚焦系统，控制扫描平面与柱面镜焦面始终保持一致；由紫外激光器、第一半透半反镜、第一反射镜、第二反射镜、第一扩束准直装置、第二扩束准直装置、柱面镜、扫描平台、红光激光器、第二半透半反镜、像散透镜、四象限探测器组成，其位置关系如下：

所述的双光束全息干涉光路包括紫外激光器，在所述的紫外激光器的输出光路方向设置所述的第一半透半返镜，将所述的紫外激光分为透射光束和反射光束，在透射光束放置的第一反射镜、在反射光束方向设置第二反射镜，在所述的第一反射镜和第二反射镜之后的焦距位置分别放置第一扩束准直装置和第二扩束准直装置，在所述的扫描平台上放置待光刻的扫描基片，紫外激光器输出的紫外光束，通过第一半透半返镜分成透射光束和反射光束，然后利用两块第一反射镜、第二反射镜引入到两套对称放置的第一扩束准直装置、第二扩束准直装置中，最后扩束的两束平行光经过所述的柱面镜相交于所述的扫描基片上，形成高密度的光栅条纹场；其中一束透射光束或反射光束经过的准直透镜固定在一个精密升降台上，通过调节准直透镜的高度，实现连续调节准直光束的出射方向，从而使两束光干涉的角度发生连续的转动，于是光栅条纹的方向也随之连续变化，以保证光栅条纹的方向与扫描平台移动的方向精确一致；

所述的柱面镜置于三维调整架上，使所述的柱面镜放置在所述的扫描基片平面之前的光路中，所述的柱面镜及其所述的三维调整架固定在精密移动压电陶瓷上，调节所述的三维调整架，使所述的柱面镜与所述的扫描基片平面之间距为所述的柱面镜的焦距，以在所述的扫描基片上形成一排高密度的光栅点阵；使所述的柱面镜的圆柱方向与光栅条纹方向保持垂直；同时所述的柱面镜相对于入射的双光束对称放置，并且光束中心与柱面镜中线在同一平面内；

所述的自动聚焦系统包括红光半导体激光器，所述的柱面镜及其所述的三维调整架固定在精密移动压电陶瓷上，在所述的扫描平台的正上方依次设置第二半透半反镜、像散透镜和四象限探测器，所述的第二半透半反镜与所述的红光半导体激光器发出的光束和自所述的扫描基片平面反射的光束成45°，所述的四象限探测器对所述的扫描基片平面进行离焦检测，该四象限探测器输出的离焦信号输入计算机，计算机控制PZT移动装置实时快速调节柱面镜的位置，保证扫描过程中基片平面始终与柱面镜焦面保持一致。

本发明的技术效果：

本发明基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅制备装置具有以下几个优点：

（1）通过柱面镜聚焦，使得二维光栅条纹变成一维高密度光点阵，对所述的扫描基片进行并行光栅扫描，可以降低扫描平台运动方向与光栅条纹方向对准精度的要求，同时由于光点和干涉条纹相比，能量集中，因而使拼接的问题也变得相对简单。

（2）采用自动聚焦跟踪系统实时调节柱面镜焦面，使之与扫描基片平面保持一致，从而保证了扫描光刻过程中的稳定性，降低了对工作环境的要求。

（3）利用改进了的双光束全息曝光光路，增加了光束干涉条纹方向的旋转机构，可以方便的调节光栅条纹方向，避免使用复杂的旋转平台，简化了装置结构。

（4）实验表明，利用本发明基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置，并基于高精度的扫描移动平台，可以实现高密度光栅的并行光刻，装置具有稳定性好、并行度高、光栅加工速度快等优点。

附图说明

图1 是本发明基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置的光路图

图2 是准直扩束模块中准直光束方向与透镜高度的关系示意图

图3 是柱面镜聚焦示意图（a）和一维高密度光点阵图（b）。

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1，图1 是本发明基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置的光路图，由图可见，本发明基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置，

该装置包括双光束全息干涉光路，用于产生高密度的光栅条纹场；柱面镜，可以将二维光栅场聚焦成一维高密度点阵；扫描平台8，用于置放扫描基片并实现扫描基片的精确定位和扫描移动；自聚焦系统，控制扫描平面与柱面镜焦面始终保持一致；由紫外激光器1、第一半透半反镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第一扩束准直装置5、第二扩束准直装置6、柱面镜7、扫描平台8、红光激光器9、第二半透半反镜10、像散透镜11、四象限探测器12组成，其位置关系如下：

所述的双光束全息干涉光路，包括紫外激光器1，在所述的紫外激光器1输出的光路方向设置所述的第一半透半返镜2，将所述的紫外激光分为透射光束和反射光束，在透射光束放置的第一反射镜3，在反射光束方向设置第二反射镜4，在所述的第一反射镜3和第二反射镜4之后的焦距位置分别放置第一扩束准直装置5和第二扩束准直装置6，在所述的扫描平台8上放置待光刻的基片，紫外激光器1输出的紫外光束，通过第一半透半返镜2分成透射光束和反射光束，然后利用两块第一反射镜3、第二反射镜4引入到两套对称放置的第一扩束准直装置5和第二扩束准直装置6中，最后经过扩束的两束平行光经所述的柱面镜7后相交于待扫描基片8上，形成高密度的光栅条纹场，请参见图3；其中一束透射光束或反射光束经过的准直透镜固定在一个精密升降台上，通过精密升降台调节准直透镜的高度，实现连续调节准直光束的出射方向，从而使两束光干涉的角度发生连续的转动，于是光栅条纹的方向也随之连续变化，以保证光栅条纹的方向与扫描平台移动的方向精确一致；

所述的柱面镜7置于三维调整架上，使所述的柱面镜7放置在所述的扫描基片平面之前的光路中，调节所述的三维调整架，所述的柱面镜7及其所述的三维调整架固定在精密移动压电陶瓷PZT上，使所述的柱面镜7与所述的扫描基片平面之间距为所述的柱面镜的焦距，以在所述的扫描基片上形成一排高密度的光栅点阵；使所述的柱面镜7的圆柱方向与光栅条纹方向保持垂直；同时所述的柱面镜相对于入射的双光束对称放置，并且光束中心与柱面镜中线在同一平面内；

所述的自动聚焦系统包括红光半导体激光器9，所述的柱面镜7及其所述的三维调整架固定在精密移动压电陶瓷（PZT）上，在所述的扫描平台8的正上方依次设置第二半透半反镜10、像散透镜11和四象限探测器12，所述的第二半透半反镜10与所述的红光半导体激光器9发出的光束和自所述的扫描基片平面反射的光束成45°，所述的四象限探测器12对所述的扫描基片平面进行离焦检测，该四象限探测器12输出的离焦信号输入计算机（图中未示），计算机控制PZT移动装置实时快速调节柱面镜的位置，保证扫描过程中扫描基片的上表平面始终与柱面镜焦面保持一致。

在传统的双光束干涉全息光路的基础上，本发明增加了光束干涉条纹方向的旋转机构，可以很方便的调节干涉条纹的方向，从而避免了扫描系统中的精密旋转模块，降低了整个装置的复杂程度。所述的光束干涉条纹方向旋转机制，具体采用的方法如图2所示，在所述的第一扩束准直装置5中，将扩束透镜13固定在精密升降台（图中未示）上，通过调节准直透镜的高度，从所述准直扩束装置5的光阑14出射的点光源与准直透镜主轴的相对位置发生改变，准直光束的出射方向也发生改变，从而使得两束光干涉的角度发生连续的转动，于是光栅条纹的方向也随之连续变化，利用该方法最终可以保证光栅条纹的方向与扫描平台移动的方向精确一致。

柱面镜7是本项发明的重要组成部分，将柱面镜固定在三维调整架（图中未示）上，并放置在扫描基片上表平面之前，和基片平面的距离为该柱面镜的焦距，如图3（a）所示，从而可以在扫描基片上形成一排高密度的光栅点阵，如图3（b）所示；通过调节三维调整架，所述的柱面镜7的圆柱方向与光栅条纹方向保持垂直；同时柱面镜相对于入射双光束对称放置，同时保证两束光的主轴与柱面镜的中线在同一平面内。为了保证柱面镜焦面与扫描基片的上表面在同一个平面内，设置了自动聚焦系统。该自动聚焦系统采用独立的红外激光器9，利用像散法进行基片平面离焦检测，所述的自动聚焦系统包括红光半导体激光器9，所述的柱面镜7及其所述的三维调整架固定在精密移动压电陶瓷（PZT）上，在所述的扫描平台8的正上方依次设置第二半透半反镜10、像散透镜11和四象限探测器12，所述的第二半透半反镜10与所述的红光半导体激光器9发出的光束和自所述的扫描基片平面反射的光束成45°，所述的四象限探测器12对所述的扫描基片平面进行离焦检测，该四象限探测器12输出的离焦信号输入计算机（图中未示），计算机控制PZT移动装置实时快速调节柱面镜的位置，保证扫描过程中扫描基片的上表平面始终与柱面镜焦面保持一致。如图1中虚线所示。同时将所述的柱面镜7及其调整架固定在精密移动压电陶瓷（PZT）上，在基片扫描移动过程中，当扫描基片的上表平面离开所述的柱面镜7焦面时，通过自动聚焦系统得到离焦量的信号，利用PZT移动装置实时调节所述的柱面镜7的位置，保证扫描过程中基片平面始终与柱面镜焦面保持一致。（参考文献: Donald K. Cohen, Wing Ho Gee, M. Ludeke, and Julian Lewkowicz, "Automatic focus control: the astigmatic lens approach," Appl. Opt. 23, 565-570 (1984)）

下面是本发明基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置的一个具体实施例的具体参数：采用的光刻光源1是氦镉激光器（Kimmon，型号为IK4171I-G），波长为442纳米，激光输出功率为180mW，可以确保直写扫描以较快速度进行。通过第一半透半反镜2将入射光以1：1的能量比分成两束，然后利用两片镀银的第一反射镜3第二反射镜4将光束导入对称放置的第一准直扩束装置和第二准直扩束装置中，通过剪切干涉仪判断出射的光束为严格的平行光。两束扩束后的平行光相交在待光刻的基片8上，干涉形成高密度的二维光栅条纹场。

为了方便调节光栅条纹的方向，将其中一路光中的准直透镜固定在精密升降台上，通过调节升降台，使透镜的中心稍微偏离光路的平面，改变出射光束的方向，于是两束光干涉的夹角也相应发生转动，从而使干涉条纹的方向发生连续变化。

将焦距为40mm的柱面镜固定在三维调整架上，并放置在距离扫描基片40mm的位置，从而在基片上形成一维高密度点阵。自聚焦跟踪系统的引入可以实时监控柱面镜与基片的距离，保证基片始终在柱面镜的焦面上。其中自聚焦系统采用独立的半导体激光器光源，波长为675nm，该光源不会对光刻胶产生影响。

实验表明，利用本发明基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置，并基于高精度的扫描移动平台，可以实现高密度光栅的并行光刻，装置具有稳定性好、并行度高、光栅加工速度快等优点。

Claims (1)

1.一种基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置，其特征在于：

该装置包括双光束全息干涉光路，用于产生高密度的光栅条纹场；柱面镜，可以将二维光栅场聚焦成一维高密度点阵；扫描平台（8），用于置放扫描基片并实现扫描基片的精确定位和扫描移动；自聚焦系统，控制扫描平面与柱面镜焦面始终保持一致；由紫外激光器（1）、第一半透半反镜（2）、第一反射镜（3）、第二反射镜（4）、第一扩束准直装置（5）、第二扩束准直装置（6）、柱面镜（7）、扫描平台（8）、红光激光器（9）、第二半透半反镜（10）、像散透镜（11）、四象限探测器（12）组成，其位置关系如下：

所述的双光束全息干涉光路包括紫外激光器（1），在所述的紫外激光器（1）输出的紫外光束方向设置所述的第一半透半返镜（2），将紫外激光分为透射光束和反射光束，在透射光束方向放置第一反射镜（3）、在反射光束方向设置第二反射镜（4），在所述的第一反射镜（3）和第二反射镜（4）之后的焦距位置分别放置第一扩束准直装置（5）和第二扩束准直装置（6），在所述的扫描平台（8）上放置待光刻的基片，然后利用两块第一反射镜（3）、第二反射镜（4）引入到两套对称放置的第一扩束准直装置（5）、第二扩束准直装置（6）中，最后扩束的两束平行光经过所述的柱面镜（7）相交于待扫描基片上，形成高密度的光栅条纹场；其中一束透射光束或反射光束经过的准直透镜固定在一个精密升降台上，通过调节准直透镜的高度，实现连续调节准直光束的出射方向，从而使两束光干涉的角度发生连续的转动，于是光栅条纹的方向也随之连续变化，以保证光栅条纹的方向与扫描平台移动的方向精确一致；

所述的柱面镜（7）置于三维调整架上，使所述的柱面镜（7）放置在所述的扫描基片平面之前的光路中，所述的柱面镜（7）及其所述的三维调整架固定在精密移动压电陶瓷上，调节所述的三维调整架，使所述的柱面镜（7）与所述的扫描基片平面之间距为所述的柱面镜的焦距，以在所述的扫描基片上形成一排高密度的光栅点阵；使所述的柱面镜（7）的圆柱方向与光栅条纹方向保持垂直；同时所述的柱面镜相对于入射的双光束对称放置，并且光束中心与柱面镜中线在同一平面内；

所述的自动聚焦系统包括红光激光器（9），在所述的扫描平台（8）的正上方依次设置第二半透半反镜（10）、像散透镜（11）和四象限探测器（12），所述的第二半透半反镜（10）与所述的红光激光器（9）发出的光束和自所述的扫描基片平面反射的光束成45°，所述的四象限探测器（12）对所述的扫描基片平面进行离焦检测，该四象限探测器（12）输出的离焦信号输入计算机，计算机控制PZT移动装置实时快速调节柱面镜的位置，保证扫描过程中基片平面始终与柱面镜焦面保持一致。

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