CN103048893A - 一种基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机，包括：激光光源，光电快门，透镜，半波片，起偏器，分束器，平面反射镜，棱镜，匹配油，玻璃基底，金属薄膜，偶氮苯聚合物薄膜，光波导参数测量仪。激光光源发出的光扩束后，经半波片，起偏器后，成为所需的偏振光，经分束镜后成为强度相等的两束，被平面反射镜反射后，以相同的导模激发角辐照到金属薄膜上，并激发多层结构中的导模，两束导模的干涉导致偶氮苯聚合物的质量迁移，从而刻写出亚波长表面起伏光栅。本发明基于导模干涉场，偶氮苯聚合物薄膜，实现了大面积亚波长表面起伏光栅的刻写，光刻时间短，工艺简单，无需显影、定影，且刻写的光栅可擦除和重构。

Description

一种基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机

技术领域

本发明涉及微电子、光电子器件制备等微纳加工领域的光刻机技术领域，特别涉及一种基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机。

背景技术

光刻技术是一种精密的微纳加工技术。现有的无掩模表面等离子体亚波长光刻技术主要存在刻写的光栅深度浅，激发光偏振仅限于TM偏振等等不足。这种光刻手段在实际应用中都有着局限性。其主要存在的问题为：

1、光栅深度浅，由于表面等离子波的穿透深度很小，故很难刻写出深度较深的亚波长光栅，这影响了光栅的应用。

2、激发光偏振模式单一，无掩模表面等离子体亚波长光刻技术中，仅TM偏振光才能激发表面等离子体波，而TE偏振光无法激发表面等离子体波。

3、光刻工艺复杂：采用传统光刻胶的无掩模表面等离子体光刻技术，曝光后，需要在暗室进行显影、定影等化学处理工艺，工艺复杂、耗时，如果其中某一环节出错，则需重头再来。

4、成本高，基于表面等离子体的光刻技术，光源大多为紫外光，紫外光源的价格显然高于可见光波段的光源。

5、曝光时间长，采用偶氮苯聚合物薄膜作为光刻介质时，虽然可以简化工艺，但由于光场主要分布在金属和偶氮苯聚合物的界面，故所需曝光时间较长。

发明内容

本发明的目的是克服现有表面等离子体光刻技术的不足，提出一种基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机。是一种基于百纳米量级厚度的偶氮苯聚合物薄膜，利用导模干涉场诱导偶氮苯聚合物的质量迁移，从而刻写亚波长偶氮苯聚合物表面起伏光栅的光刻机。是一种具有激发光偏振模式多样化，曝光时间短，光刻工艺简单，成本低，周期可调，刻写结构可重构的大面积亚波长偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机。

实现上述目的的技术方案如下：

一种基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机，该光刻机包括：激光光源，光电快门，短焦距透镜，长焦距透镜，半波片，起偏器，分束器，平面反射镜A，平面反射镜B，棱镜，匹配油，玻璃基底，金属薄膜，偶氮苯聚合物薄膜，光波导参数测量仪；其中：

所述的激光光源，为可见光波段或紫外波段的激光，用于激发金属薄膜、偶氮苯聚合物薄膜、空气多层结构中的导波模式，简称导模；所述激光光源所发射的激光，经过光电快门控制曝光时间，通过短焦距透镜，长焦距透镜扩束后，经过半波片，起偏器后成为具有特定偏振方向的低强度激光束，经分束器分成强度相同的两束光，其中一束光经平面反射镜A反射后辐照到放置在光波导参数测量仪中心的所述的棱镜上，并经该棱镜和所述的匹配油，所述的玻璃基底耦合后，辐照到所述的金属薄膜上，通过光波导参数测量仪测量反射光光强曲线，并确定激发的导波模式及其对应的激发角；选取所需的用于刻写偶氮苯聚合物薄膜表面起伏光栅的导波模式，将棱镜，匹配油，玻璃基底，金属薄膜，偶氮苯聚合物薄膜通过光波导参数测量仪调至相应的导波模式对应的激发角后，将平面反射镜B与平面反射镜A关于棱镜底面的法线对称放置，以使经平面反射镜B反射的激光束与平面反射镜A反射的激光束具有相同的入射角，且两束光辐照在金属薄膜上的光斑重合。暂时关闭光电快门，并通过旋转半波片使得刻写光光强能够达到最大；设置好曝光时间后，开启光电快门，两束高强度激光将以相同的激发导模的入射角辐照到金属薄膜上，从而激发金属薄膜，偶氮苯聚合物薄膜和空气多层结构中的两束导模，该两束导模的相互干涉导致偶氮苯聚合物的质量迁移，从而在金属薄膜上的偶氮苯聚合物薄膜层刻写出大面积亚波长氮苯聚合物表面起伏光栅，光栅的面积与扩束后的激光束光斑面积相当，光栅的周期可以通过偶氮苯聚合物薄膜的厚度和/或激发的导模来调节，所刻写的光栅可通过加热或圆偏振光辐照来擦除，进而进行重新刻写。

进一步的，所述的偶氮苯聚合物薄膜具有宽光谱响应范围，所述的激光光源可采用可见光波段或紫外波段的激光，如：532nm激光，442nm激光或355nm激光。

进一步的，金属薄膜蒸镀在玻璃基底上，偶氮苯聚合物薄膜旋涂在金属薄膜上，玻璃基底通过匹配油与棱镜粘结，并与棱镜一起放置在光波导参数测量仪的中心。

进一步的，通过起偏器的起偏方向确定激发导模的激光束的偏振方向，通过半波片的快轴方向与起偏器的起偏方向之间的夹角改变激光束的强度。

进一步的，所用偶氮苯聚合物薄膜的厚度在百纳米量级，且其厚度可以通过偶氮苯聚合物的浓度以及涂胶速度进行有效控制。

进一步的，在低强度激光条件下利用光波导参数测量仪测量反射光光强曲线，进而确定激发的导波模式及其对应的激发角；在高强度激光条件下刻写偶氮苯聚合物表面起伏光栅。

进一步的，刻写的偶氮苯聚合物表面起伏光栅为亚波长光栅，且其周期可以通过偶氮苯聚合物薄膜的厚度和/或激发的导模进行有效调控。

进一步的，光刻介质为偶氮苯聚合物薄膜，曝光后无需显影、定影工艺，且刻写的光栅可通过加热或圆偏振光擦除，进而进行重新刻写。

进一步的，利用导模干涉场刻写偶氮苯聚合物表面起伏光栅，光场能量主要分布在偶氮苯聚合物薄膜层，从而使得光刻所需时间有效减少。

本发明技术方案的原理为：

所述激光光源，通过所设计的光路，可以激发金属薄膜，偶氮苯聚合物薄膜，空气多层结构中两束沿相反方向传播的导模，其亚波长周期的干涉场诱导偶氮苯聚合物产生质量迁移，从而直接刻写出亚波长周期的偶氮苯聚合物表面起伏光栅。此过程无需掩模，且曝光后无需显影、定影等后续工艺。由于激发导波模式时，光场主要分布在偶氮苯聚合物层，故可有效减少光刻的曝光时间。刻写的光栅可通过加热或圆偏振光辐照来擦除，进而重构。由于偶氮苯聚合物薄膜的光谱响应范围宽，故刻写亚波长偶氮苯聚合物表面起伏光栅所用的激光光源选择范围较宽，即可以使用紫外激光，也可以使用可见光波段的激光。通过棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、偶氮苯聚合物薄膜、空气这种设计结构，可以在厚偶氮苯聚合物薄膜条件下，有效激发导波模式，且激发导波模式的激光束既可以是TM偏振的，也可以是TE偏振的，从而可通过改变偶氮苯聚合物薄膜的厚度和/或激发的导模进行有效调控偶氮苯聚合物表面起伏光栅的周期。短焦距透镜，长焦距透镜的扩束作用保证了激发光的大面积，进而使得刻写的偶氮苯聚合物表面起伏光栅也是大面积的光栅，且其面积与激发光面积相当。半波片和起偏器的使用，一方面保证了最终的激发导模的激光束的偏振方向，同时使得改变激光束的强度非常方便，这有利于在低强度激光条件下使用光波导参数测量仪确定曝光偶氮苯聚合物薄膜的导波模式及其相应的激发角，同时保证了在高强度激光条件下刻写偶氮苯聚合物表面起伏光栅。

本发明和传统技术相比的优势为：

是一种具有激发光偏振模式多样化，曝光时间短，光刻工艺简单，成本低，周期可调，刻写结果可重构的大面积亚波长偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机。

1、结构简单：通过导模干涉诱导偶氮苯聚合物薄膜发生质量迁移，实现亚波长偶氮苯聚合物表面起伏光栅的刻写。此种方法无需制作光刻掩模板，只需通过激发的导模干涉场实现亚波长周期的光场，进而刻写亚波长偶氮苯聚合物表面起伏光栅。

2、工艺简单：导波模式的干涉场诱导偶氮苯聚合物薄膜发生质量迁移，一次性曝光刻写亚波长偶氮苯聚合物表面起伏光栅，曝光后，无需在暗室进行显影、定影等化学处理工艺。

3、曝光时间短：激发导波模式时，光场主要分布在偶氮苯聚合物层，故可有效减少光刻的曝光时间。

4、激发光偏振模式多样化：使用TM偏振光、TE偏振光均可以激发导波模式。

5、刻写结果可重构：如果刻写的光栅达不到要求，只需通过加热或圆偏振光辐照对其擦除，进行重构。

6、成本低：该光刻方案无需光刻掩模板，光路简单，光源及各种光学元件的成本均较低，从而实现了低成本的亚波长偶氮苯聚合物表面起伏光栅的刻写。

7、周期可调：不同厚度的偶氮苯聚合物薄膜以及不同偏振的激光束激发的导波模式对应不同的激发角，而偶氮苯聚合物表面起伏光栅的周期与激发角相关，故可以通过改变偶氮苯聚合物薄膜的厚度和/或激发的导波模式对偶氮苯聚合物表面起伏光栅的周期进行有效调控。

8、大面积刻写：由于采用棱镜结构激发导模干涉光刻，刻写光栅的面积与激发导模的激光束光斑面积相当，故实现了大面积光刻。

附图说明

图1为本发明一种基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机结构示意图；

图2为偶氮苯聚合物薄膜厚度为208nm时，利用光波导参数测量仪在低强度激光条件下测量的反射光光强曲线；

图3为偶氮苯厚度为208nm时，利用TM1波导模式刻写的偶氮苯聚合物表面起伏光栅的原子力显微镜图；

图4为偶氮苯聚合物薄膜厚度为100nm时，利用TE1波导模式刻写的偶氮苯聚合物表面起伏光栅的原子力显微镜图；

其中，1、激光光源，2、光电快门，3、短焦距透镜，4、长焦距透镜，5、半波片，6、起偏器，7、分束器，8、平面反射镜A，9、平面反射镜B，10、棱镜，11、匹配油，12、玻璃基底，13、金属薄膜，14、偶氮苯聚合物薄膜，15、光波导参数测量仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。

实施例1：

参照图1所示的一种基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机，包括：激光光源1，光电快门2，短焦距透镜3，长焦距透镜4，半波片5，起偏器6，分束器7，平面反射镜A8，平面反射镜B9，棱镜10，匹配油11，玻璃基底12，金属薄膜13，偶氮苯聚合物薄膜14，光波导参数测量仪15；其中，在玻璃基底12上蒸镀一层金属薄膜13（25nm的银膜），进而旋涂偶氮苯聚合物环戊酮溶液，得到208nm厚的偶氮苯聚合物薄膜14，利用匹配油11将玻璃基底12与棱镜10粘结后，放置在光波导参数测量仪15的中心。将起偏器6的起偏方向调至水平方向以产生TM偏振光，旋转半波片5以产生低强度的激光束。激光光源1选用可见光波段的442nm激光器，打开控制曝光时间的光电开门2后，激光光源1所发射激光，经光电快门2后，通过短焦距透镜3，长焦距透镜4扩束后，经半波片5，起偏器6后成为低强度的TM偏振光，再经分束器7分成强度相同的两束，其中一束光经平面反射镜A8反射后，辐照到放置在光波导参数测量仪15中心的棱镜10上，并经棱镜10和匹配油11，玻璃基底12耦合后，辐照到金属薄膜13上，通过光波导参数测量仪15测量反射光光强曲线，结果如图2所示，通过该曲线和理论分析，可以确定这种条件下激发的导波模式为TM1模式，其对应的激发角为53.5°。选取TM1导模为刻写偶氮苯聚合物表面起伏光栅的导波模式，将棱镜10，匹配油11，玻璃基底12，金属薄膜13，偶氮苯聚合物薄膜14通过光波导参数测量仪调至激发TM1模式的激发角后。将平面反射镜B9与平面反射镜A8关于棱镜底面的法线对称放置，以使经平面反射镜B9反射的激光束与平面反射镜A8反射的激光束具有相同的入射角，且两束光辐照在金属薄膜13上的光斑重合。暂时关闭光电快门2，并通过旋转半波片5使得刻写光光强能够达到最大。设置好曝光时间后，开启光电快门2，两束高强度激光将以相同的激发TM1导模的入射角辐照到金属薄膜13上，从而激发金属薄膜13，偶氮苯聚合物薄膜14和空气多层结构中的两束导模，该两束导模的相互干涉导致偶氮苯聚合物的质量迁移，从而在金属薄膜13上的偶氮苯聚合物薄膜14层刻写出大面积的亚波长偶氮苯聚合物表面起伏光栅。上述方法刻写的亚波长光栅的周期为187nm，其原子力显微镜照片见图3。

实施例2：

通过改变偶氮苯聚合物薄膜的厚度和激发的导波模式，可实现不同周期的亚波长光栅的刻写。偶氮苯聚合物薄膜厚度为100nm时，起偏器6的起偏方向在竖直方向，在低强度激光条件下测量得到激发TE1模式的激发角为52.8°，利用TE1导模在高强度激光条件下刻写的亚波长偶氮苯聚合物表面起伏光栅光栅的周期为189nm，其原子力显微镜照片见图4。

其它结构同实施例1。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (9)

1.一种基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机，其特征在于：该光刻机包括：激光光源（1），光电快门（2），短焦距透镜（3），长焦距透镜（4），半波片（5），起偏器（6），分束器（7），平面反射镜A（8），平面反射镜B（9），棱镜（10），匹配油（11），玻璃基底（12），金属薄膜（13），偶氮苯聚合物薄膜（14），光波导参数测量仪（15）；其中：

所述的激光光源（1），为可见光波段或紫外波段的激光，用于激发金属薄膜（13）、偶氮苯聚合物薄膜（14）、空气多层结构中的导波模式，简称导模；所述激光光源（1）所发射的激光，经过光电快门（2）控制曝光时间，通过短焦距透镜（3），长焦距透镜（4）扩束后，经过半波片（5），起偏器（6）后成为具有特定偏振方向的低强度激光束，经分束器（7）分成强度相同的两束光，其中一束光经平面反射镜A（8）反射后辐照到放置在光波导参数测量仪中心的所述的棱镜（10）上，并经该棱镜（10）和所述的匹配油（11），所述的玻璃基底（12）耦合后，辐照到所述的金属薄膜（13）上，通过光波导参数测量仪测量反射光光强曲线，并确定激发的导波模式及其对应的激发角；选取所需的用于刻写偶氮苯聚合物薄膜（14）表面起伏光栅的导波模式，将棱镜（10），匹配油（11），玻璃基底（12），金属薄膜（13），偶氮苯聚合物薄膜（14）通过光波导参数测量仪调至相应的导波模式对应的激发角后，将平面反射镜B（9）与平面反射镜A（8）关于棱镜底面的法线对称放置，以使经平面反射镜B（9）反射的激光束与平面反射镜A（8）反射的激光束具有相同的入射角，且两束光辐照在金属薄膜（13）上的光斑重合。暂时关闭光电快门（2），并通过旋转半波片（5）使得刻写光光强能够达到最大；设置好曝光时间后，开启光电快门（2），两束高强度激光将以相同的激发导模的入射角辐照到金属薄膜（13）上，从而激发金属薄膜（13），偶氮苯聚合物薄膜（14）和空气多层结构中的两束导模，该两束导模的相互干涉导致偶氮苯聚合物的质量迁移，从而在金属薄膜（13）上的偶氮苯聚合物薄膜（14）层刻写出大面积亚波长氮苯聚合物表面起伏光栅，光栅的面积与扩束后的激光束光斑面积相当，光栅的周期可以通过偶氮苯聚合物薄膜的厚度和/或激发的导模来调节，所刻写的光栅可通过加热或圆偏振光辐照来擦除，进而进行重新刻写。

2.根据权利要求1所述的基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机，其特征在于，所述的偶氮苯聚合物薄膜具有宽光谱响应范围，所述的激光光源（1）可采用可见光波段或紫外波段的激光，如：532nm激光，442nm激光或355nm激光。

3.根据权利要求1所述的基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机，其特征在于，金属薄膜（13）蒸镀在玻璃基底（12）上，偶氮苯聚合物薄膜（14）旋涂在金属薄膜（13）上，玻璃基底（12）通过匹配油（11）与棱镜（10）粘结，并与棱镜（10）一起放置在光波导参数测量仪（15）的中心。

4.根据权利要求1所述的基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机，其特征在于，通过起偏器（6）的起偏方向确定激发导模的激光束的偏振方向，通过半波片（5）的快轴方向与起偏器（6）的起偏方向之间的夹角改变激光束的强度。

5.根据权利要求1所述的基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机，其特征在于，所用偶氮苯聚合物薄膜（14）的厚度在百纳米量级，且其厚度可以通过偶氮苯聚合物的浓度以及涂胶速度进行有效控制。

6.根据权利要求1或4所述的基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机，其特征在于，在低强度激光条件下利用光波导参数测量仪（15）测量反射光光强曲线，进而确定激发的导波模式及其对应的激发角；在高强度激光条件下刻写偶氮苯聚合物表面起伏光栅。

7.根据权利要求1所述的基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机，其特征在于，刻写的偶氮苯聚合物表面起伏光栅为亚波长光栅，且其周期可以通过偶氮苯聚合物薄膜（14）的厚度和/或激发的导模进行有效调控。

8.根据权利要求1所述的基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机，其特征在于，光刻介质为偶氮苯聚合物薄膜（14），曝光后无需显影、定影工艺，且刻写的光栅可通过加热或圆偏振光擦除，进而进行重新刻写。

9.根据权利要求1所述的基于导模干涉的偶氮苯聚合物表面起伏光栅光刻机，其特征在于，利用导模干涉场刻写偶氮苯聚合物表面起伏光栅，光场能量主要分布在偶氮苯聚合物薄膜（14）层，从而使得光刻所需时间有效减少。

Images