CN103064262A - 一种用于激光干涉光刻系统的光栅相位调制器 - Google Patents

Abstract

一种用于激光干涉光刻系统的光栅相位调制器，由基板、光栅、电机和光栅定位器组成。光栅、电机和光栅定位器均安装于基板上；光栅为圆形或矩形，采用透射或反射型光栅。光束入射至光栅上产生衍射，当电机带动光栅相对于入射光束连续运动时，光栅衍射光将发生频移而实现光束相位调制。该光栅相位调制器相比于在干涉光刻系统应用中的电光相位调制器、微电机驱动反射镜座的相位调制的具有相位调制速度快、调节精度高、调节范围宽等优点，相比在干涉光刻系统应用中的声光调制器，通过合理布置光学结构则不会影响系统精度、图形对比度、焦深、焦斑大小等，且系统光路简洁，最终实现干涉光刻系统整体性能的提升。

Description

一种用于激光干涉光刻系统的光栅相位调制器

技术领域

本发明涉及一种光栅相位调制器，特别涉及一种用于激光干涉光刻系统进行相位调制的光栅相位调制器。

背景技术

激光干涉光刻技术是一种利用两束或者多束激光干涉产生的周期性图形曝光感光基底制造微纳阵列器件的重要技术，主要应用于特征尺寸低于亚波长的孔阵、点阵、柱阵、光栅、微透镜阵列等器件的制造，这些微阵列器件在国防、民生、科研等领域具有广泛应用。

近年来，随着大型天文望远镜、惯性约束核聚变激光点火系统、光刻系统等重大工程系统中的关键光栅器件对尺寸、栅线密度、精度要求的不断提高，光栅制造正在向米级尺寸、纳米级精度、亚万级栅线密度的量级迈进，大面积高精度密栅线光栅的制造成为了光栅制造领域的亟需解决的热点问题。传统光栅制造技术主要包括机械刻划、激光直写、机械拼接等，机械刻划存在大面积制造精度低、加工周期长、制造的光栅存在鬼线等缺点，激光直写也存在大面积制造精度低、加工周期长等缺点，机械拼接则存在拼接精度差、拼接过程复杂、成本昂贵等缺点，因此传统制造技术难以实现上述量级光栅的制造。激光干涉光刻技术或全息光刻技术则在上述量级光栅制造方面具有大面积制造栅线密精度高、加工周期短等优势，因此激光干涉光刻技术逐步成为大面积高精度光栅制造技术的主流技术。适用于大面积高精度光栅制造的干涉光刻技术的难点在于干涉光刻系统的研发，而高精度干涉光刻系统具有很大的研发难度。针对高精度干涉光刻系统的研发，世界上著名的光栅制造系统公司及研究机构展开了一系列的研究，研究主要集中于高精度干涉光刻系统。高速高精的图形锁定技术是高精度干涉光刻系统研发中的关键单元技术，直接决定系统的图形锁定精度。在干涉光刻系统研发领域，国内外较多科研机构展开研究，研究成果在诸多专利中均有揭露。

麻省理工学院美国专利US5,142,385公开了一种激光干涉光刻系统，该干涉光刻系统中揭露了一种图形锁定装置，该图形锁定装置利用电光相位调制器进行光束相位调制实现图像锁定，但电光相位调制器存在相位调制速度慢、调节精度低、调节范围窄等缺点，难以满足高精度图形锁定要求。

麻省理工学院在另一美国专利US6,882,477B1中公开了一种扫描激光干涉光刻系统，该光刻系统中揭露了一种声光图形锁定装置。该图形锁定装置利用声光调制器进行光束相位调制实现图形锁定，虽然声光调制器具有调制速度快、调节精度高、调节范围无限大等优点；但由于声光调制器使通过频率调制实现相位调制，这将改变曝光光束的频率，影响曝光光束的相干性，且在频率调制时，随着频率的变化，声光调制器出射光束的方向也将改变，这将影响系统图形锁定精度、图形对比度、焦深、焦斑大小等，再加之采用声光调制器进行相位调制将使系统光路变的较为复杂；考虑到上述因素，采用声光调制器进行相位调制非实现高精高速图形锁定的最佳方案。同时，该专利中还揭露了一种利用压电陶瓷驱动反射镜座进行相位调制以实现图形锁定的装置。该图形锁定装置利用压电陶瓷驱动反射镜座驱动反射镜位置改变实现光束相位调制，该方法不会改变光束的频率，不影响曝光光束相干性；但当反射镜位置移动时，将影响系统的图形对比度、焦深、焦斑大小等，且压电陶瓷驱动反射镜座调制速度慢、调节精度低、调制范围有限等缺点，该方案也难以满足高速高精图形锁定要求。

考虑到上述技术方案的局限，寻求一种用于激光干涉光刻系统进行相位调制的光栅相位调制器，该光栅相位调制器利用运动光栅的多普勒移频效应实现相位调制，该光栅相位调制器具有相位调制速度快、调节精度高、调节范围宽等优点，通过合理布置激光干涉光刻系统结构，利用该光栅相位调制器调相时不会影响系统精度、图形对比度、焦深、焦斑大小等，且系统光路简洁，最终实现干涉光刻系统整体性能的提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于激光干涉光刻系统进行相位调制的光栅相位调制器,该光栅相位调制器具有相位调制速度快、调节精度高、调节范围宽等优点，利用该光栅相位调制器调相时不会影响系统精度、图形对比度、焦深、焦斑大小等，且系统光路简洁，最终实现干涉光刻系统整体性能的提升。

本发明的技术方案如下：

一种用于激光干涉光刻系统的光栅相位调制器，其特征在于：所述的光栅相位调制器为圆形光栅相位调制器，圆形光栅相位调制器包括圆形基板、环形光栅、旋转电机和光栅定位器；环形光栅沿圆周方向安装于圆形基板上，且至少安装一条环形光栅；旋转电机的输出轴与圆形基板相连接，光栅定位器安装于圆形基板上。

本发明的另一种技术方案是：所述的光栅相位调制器为矩形光栅相位调制器，矩形光栅相位调制器包括矩形基板、矩形光栅、直线电机和光栅定位器；矩形光栅沿长度方向安装于矩形基板上，且至少安装一条矩形光栅；直线电机的动子或定子与矩形基板相连接，光栅定位器安装于矩形基板上。

上述技术方案中，所述的环形光栅和矩形光栅采用透射式闪耀型光栅或反射式闪耀型光栅。

本发明所提供的一种用于激光干涉光刻系统的光栅相位调制器具有以下优点及突出性效果：该光栅相位调制器具有相位调制速度快、调节精度高、调节范围宽等优点，应用于激光干涉光刻系统，能够简化系统结构复杂程度，能够在不影响系统图形质量的情况下实现系统图形的高速、高精锁定，最终实现干涉光刻系统整体性能的提升。

附图说明

图1为本发明第一种圆形光栅相位调制器结构示意图。

图2为本发明透射型圆形光栅相位调制器原理示意图。

图3为本发明反射型圆形光栅相位调制器原理示意图。

图4为本发明第二种圆形光栅相位调制器结构示意图。

图5为本发明第一种矩形光栅相位调制器结构示意图。

图6为本发明第二种矩形光栅相位调制器结构示意图。

图中，1—圆形光栅相位调制器；11—圆形基板；12—环形光栅；121—第一环形光栅；122—第二环形光栅；123—第三环形光栅；13—旋转电机；4—光栅定位器；2—矩形光栅相位调制器；21—矩形基板；22—矩形光栅；221—第一矩形光栅；222—第二矩形光栅；223—第三矩形光栅；23—直线电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

请参考图1，图1为本发明第一种圆形光栅相位调制器结构示意图。如图1所示，圆形光栅相位调制器1包括圆形基板11、环形光栅12、旋转电机13和光栅定位器4；环形光栅12沿圆周方向安装于圆形基板11上，该结构中仅安装了一条环形光栅（为清晰表示，将光栅的栅距放大表示）；旋转电机13的输出轴与圆形基板11相连接，光栅定位器4安装于圆形基板11上。

请参考图2，图2为本发明透射型圆形光栅相位调制器原理示意图。如图1所示，环形光栅12采用透射型光栅；光束入射至环形光栅12上产生衍射，当旋转电机13的输出轴带动环形光栅12相对于入射光束连续运动时，光栅衍射光将发生频移，根据光栅多普勒移频公式知，f₀衍射光的各级频率为：

f₀、 $f_{\±1}=f_0\±\frac{v}{g},$ $f_{\±2}=f_0\±\frac{2v}{g},$ ......

式中f₀为入射光束频率，f₁为一级衍射光频率，f₂为二级衍射光频率，v是光栅转动线速度，g光栅常数。光束相位与频率之间存在以下关系：

$\mathrm{\φ}={\∫}_0^{t}2\mathrm{\πfdt}$

利用光栅的除零级以外的衍射光的即可实现光束相位调制。光栅定位器4用于定位光束相对于环形光栅12的入射位置。请参考图3，图3为本发明反射型圆形光栅相位调制器原理示意图。如图3所示，环形光栅12采用反射型光栅，其调制原理与图1中的一致，区别在两者的衍射光方向。为获取较高的衍射效率，通常光栅采用正负一级闪耀型光栅。相对于电光调制器，该光栅相位调制器具有较高的调制速度（利用高速电机获取）、调制精度（利用高栅线密度光栅获取）及较宽的调制范围。

请参考图4，图4为本发明第二种圆形光栅相位调制器结构示意图。如图4所示，该圆形光栅相位调制器的圆形基板11上安装了三条环形光栅，即第一环形光栅121、第二环形光栅122和第三环形光栅123（为清晰表示，将光栅的栅距放大表示），三条环形光栅具有不同栅线密度，当入射光束入射到不同的环形光栅上时，同一级次的衍射光的频率将不同，这可实现变频相位调制，且光栅条数越多，变频调制效果越好。光栅定位器4定位光束入射到不同的环形光栅上。

请参考图5，图5为本发明第一种矩形光栅相位调制器结构示意图。如图5所示，该矩形光栅相位调制器2包括矩形基板21、矩形光栅22、直线电机23和光栅定位器4；矩形光栅22沿长度方向安装于矩形基板21上，该结构中仅安装了一条矩形光栅（为清晰表示，将光栅的栅距放大表示）；直线电机23的动子或定子与矩形基板21相连接，光栅定位器4安装于矩形基板21上。光束入射至矩形光栅22上产生衍射，当直线电机23的动子或定子带动矩形光栅22相对于入射光束连续往复运动时，光栅衍射光将发生频移而实现移频。

请参考图6，图6为本发明第二种矩形光栅相位调制器结构示意图。如图6所示，该矩形光栅相位调制器的矩形基板21上安装了三条矩形光栅—第一矩形光栅221、第二矩形光栅222、第三矩形光栅223（为清晰表示，将光栅的栅距放大表示），该当入射光束入射到不同的矩形光栅上时，同一级次的衍射光的频率将不同，这可实现变频相位调制，且光栅条数越多，变频调制效果越好。光栅定位器4定位光束入射到不同的矩形光栅上。

Claims (3)

1.一种用于激光干涉光刻系统的光栅相位调制器，其特征在于：所述的光栅相位调制器为圆形光栅相位调制器（1），圆形光栅相位调制器（1）包括圆形基板（11）、环形光栅（12）、旋转电机（13）和光栅定位器（4）；环形光栅（12）沿圆周方向安装于圆形基板（11）上，且至少安装一条环形光栅；旋转电机（13）的输出轴与圆形基板（11）相连接，光栅定位器（4）安装于圆形基板（11）上。

2.一种用于激光干涉光刻系统的矩形光栅相位调制器，其特征在于：所述的光栅相位调制器为矩形光栅相位调制器（2），矩形光栅相位调制器（2）包括矩形基板（21）、矩形光栅（22）、直线电机（23）和光栅定位器（4）；矩形光栅（22）沿长度方向安装于矩形基板（21）上，且至少安装一条矩形光栅；直线电机（23）的动子或定子与矩形基板（21）相连接，光栅定位器（4）安装于矩形基板（21）上。

3.根据权利要求1或2所述的一种光栅相位调制器，其特征在于：所述环形光栅（12）和矩形光栅（22）采用透射式闪耀型光栅或反射式闪耀型光栅。

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