CN104678716A

CN104678716A - 一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统及其方法

Info

Publication number: CN104678716A
Application number: CN201510067561.8A
Authority: CN
Inventors: 许兴胜; 高永浩; 黄昕楠; 黎星云
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2035-02-09
Also published as: CN104678716B

Abstract

本发明公开了一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其是可以在定位样品中的单量字点位置后，直接切换至直写光刻功能，达到很好衔接的光刻系统。为了实现在定位量子点后直接进行微纳结构的制作，需要这样一套结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统。这套系统在探测端使用单光子探测器以及单光子计数板卡组合而成的单光子探测系统，并记录坐标，能够实现激光直写的加工功能，又能完成量子点的泵浦与探测，还能将这两个功能有机的结合起来。

Description

一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统及其方法

技术领域

本发明涉及激光直写、单量字点定位、单光子HBT实验、自动控制技术领域，特别是一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统及方法。

背景技术

单光子源是量子通讯等激动人心的研究领域的关键的器件，相较于外延量子点、单分子等单光子源解决方案，基于胶体量子点的单光子源有着能工作于室温、效率高、稳定等很多重要优点；但是也存在着荧光闪烁效应以及制作时定位困难等缺陷。

在使用胶体量子点作为发光材料的单光子源器件制备中，遇到的一大难点就是量子点的定位。因为胶体量子点都是使用化学方法合成的，在器件制备过程中需要使用旋涂或者拖拉等方法来将胶体量子点涂布于器件上，这一过程中胶体量子点是随机地在器件上进行分布的。又因为要制备单光子源，需要使用单胶体量子点，所以胶体量子点在器件上的密度会很低，无法通过直接批量制作器件来概率性覆盖量子点的方法来制作。所以在制作基于胶体量子点的单光子器件的过程中，需要一种精确的量子点定位技术。我们所采用的方案，是开发一套联合单量子点定位功能的激光直写无掩模光刻系统来进行胶体量子点的定位与结构制作。

在目前的微纳加工领域，光刻是非常关键也是非常重要的一步工艺。它直接决定了我们所设计的图形能不能准确的转移到样品基片上。光刻从形式上可以分为两大类，有掩模光刻和无掩模光刻。无掩模光刻技术，顾名思义，在光刻过程中不需要掩模的参与，直接将图形写到光刻胶上。掩模版本身也是通过无掩模光刻技术来制作的，所以无掩模光刻技术的精度决定了有掩模光刻技术的精度。无掩模光刻技术按照光源可以分为电子束直写，离子束直写，光学无掩模光刻等。光学无掩模光刻是使用光源按照输入的版图直接照射光刻胶的技术方案，常见的有全息曝光、SLM(空间光调制器)无掩模光刻，激光直写等。激光直写技术通过透镜系统将蓝紫激光聚焦后，照射到涂布光刻胶的样品表面，再由程序控制移动光源透镜或是样品来完成图形。激光直写的优势在于与有掩模常规光刻可以使用同样的光刻胶及工艺，兼容性较好。

目前国内外所开发的激光直写设备一般都是通用的无掩模光刻系统，而对于基于单胶体量子点的单光子结构来说，所需要的是带量子点定位功能的激光直写系统，希望能把样品放置于机器上，完成找点定位后，直接切换至直写光刻功能，实现带定位的量子点单光子结构与器件的制作。所以针对这一需求，我们提出了一套结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统。

发明内容

本发明目的在于提出一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其是可以在定位样品中的单量字点位置后，直接切换至直写光刻功能，达到很好衔接的光刻系统。为了实现在定位量子点后直接进行微纳结构的制作，需要这样一套结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统。这套系统在探测端使用单光子探测器以及单光子计数板卡组合而成的单光子探测系统，并记录坐标，能够实现激光直写的加工功能，又能完成量子点的泵浦与探测，还能将这两个功能有机的结合起来。

本发明提出了一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，包括：

单光子反聚束测试光路系统，利用红外激光器发出的红外激光在样品上所成的像，将所述样品自动对焦至显微物镜的焦平面，并利用所述显微物镜以及红外激光器发出的红外激光激发样品上的量子点发光，进而定位得到样品上的单量子点坐标；

控制器系统，其用于控制所述样品的移动，并根据所述单光子反聚束测试光路系统得到的单量子点坐标编写激光直写版图文件；

激光直写曝光光路系统，利用红外激光器发出的红外激光在样品上所成的像，将所述样品自动对焦至显微物镜的焦平面，并根据所述激光直写版图文件和紫光激光器发出的紫光对所述样品进行激光直写，以将所述激光直写版图文件的图形转移到样品表面的光刻胶上。

本发明还提出了一种利用上述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统进行激光直写曝光光刻方法，其包括：

步骤1、将三维电控平移台(14)复位，在三维电控平移台(14)上放置并固定好已旋涂光刻胶的样品(5)；

步骤2、打开红光激光器(6)，然后将三维电控平移台(14)的Z轴上升到显微物镜(4)焦平面附近；

步骤3、正式对样品(5)曝光前，使用控制器(16)记录三维电控平移台(14)的Z轴处在显微物镜(4)焦平面附近不同高度处，由CCD(15)收集到的多幅图像，将所述多幅图像及所述样品(5)与显微物镜(4)焦平面的相对位置合并存储为聚焦控制图像集；

步骤4、正式曝光中，使用所述聚焦控制图像集将样品(5)自动对焦，使样品(5)移动至显微物镜(4)的焦平面处；

步骤5、打开紫光激光器(1)，打开电子快门(2)，所述紫光激光器发出的紫光经过所述激光直写曝光光路系统中的光路聚焦到样品(5)上，由控制器(16)根据所述激光直写版图文件中的图形，驱动三维电控平移台(14)在显微物镜(4)的焦平面上沿XY轴进行划线移动，使得样品(5)上被紫光激光聚焦照射到的部分被曝光直写；

步骤6、对样品(5)进行显影，完成激光直写曝光光刻过程。

本发明还提出了一种利用上述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统定位单量子点的方法，包括：：

步骤3、使用控制器(16)记录三维电控平移台(14)的Z轴处在显微物镜(4)焦平面附近不同高度处，由CCD(15)收集到的多幅图像，将所述多幅图像及所述样品(5)与显微物镜(4)焦平面的相对位置合并存储为聚焦控制图像集；

步骤4、利用所述聚焦控制图像集将样品(5)自动对焦，使样品(5)移动至显微物镜(4)的焦平面处；

步骤5、由控制器(16)驱动三维电控平移台(14)在显微物镜(4)的焦平面上沿XY轴进行扫描，扫描过程中聚焦在所述红外激光发出的红外激光激发样品(5)的量子点发光，量子点所发的光经过单光子反聚束测试光路系统后被送入单光子探测器对(12)，并由单光子探测器对(12)对所述量子点发的光的强度信号进行监测；

步骤6、当单光子探测器对(12)中检测到强度信号时，停下三维电控平移台(14)，并开始使用计数板卡(13)进行二阶相干函数测量，如果出现典型的单光子反聚束测试实验二阶相干函数曲线，则记录下所述三维电控平移台(14)此时的坐标，该坐标即为当前检测到的单量子点坐标；

步骤7、以所检测到的单量子点坐标为依据编写激光直写版图文件。

本发明提出了一种利用上述的激光直写光刻系统进行单量子定位并进行激光直写曝光光刻的方法，其包括：

步骤7、以所检测到的单量子点坐标为依据编写激光直写版图文件；

步骤8、将三维电控平移台(14)复位，在三维电控平移台(14)上放置并固定好已旋涂光刻胶的样品(5)；

步骤9、打开红光激光器(6)，然后将三维电控平移台(14)的Z轴上升到显微物镜(4)焦平面附近；

步骤10、正式曝光中，使用所述聚焦控制图像集将样品(5)自动对焦，使样品(5)移动至显微物镜(4)的焦平面处；

步骤11、打开紫光激光器(1)，打开电子快门(2)，所述紫光激光器发出的紫光经过所述激光直写曝光光路系统中的光路聚焦到样品(5)上，由控制器(16)根据所述激光直写版图文件中的图形，驱动三维电控平移台(14)在显微物镜(4)的焦平面上沿XY轴进行划线移动，使得样品(5)上被紫光激光聚焦照射到的部分被曝光直写；

步骤12、对样品(5)进行显影，完成激光直写曝光光刻过程。

本发明提出了一套简单易行的结合单量子点定位功能的激光直写无掩模光刻系统。利用光学成像系统的像差来实现自动对焦功能，避免了复杂的系统机构，有利于实验室的小型应用。同时该系统把单光子探测系统与直写光刻系统有机地融合为了一体。在寻找到量子点的位置后，可以记录下其对应于直写系统的当前坐标，随后依据该坐标编写版图文件，直接切换到直写光刻系统进行结构图形的曝光制作，实现了依据量子点定位结果来进行结构制作的功能组合。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为本发明中结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统原理示意图。

图2为本发明中结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统的聚焦控制图像集实例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明提供了一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其包括：

激光直写曝光光路，用于在样品上定位单量子点坐标，并根据所述单量子点的坐标完成激光直写光刻功能，将设计的掩模版图形转移到光刻胶上；

单光子反聚束测试光路，利用显微物镜定位样品上的所聚焦的材料区域中，是否有发光且发光点是否为单光子；

控制器系统，用于控制所述激光直写曝光光路和单光子反聚束测试光路。

如图1所示，所述激光直写曝光光路包括：

紫光激光器1，其发出能使样品表面涂覆的光刻胶感光的紫光，该紫光激光器1的波长在300nm-450nm范围内；

电子快门2，该电子快门2能够控制所述紫光激光器1发出的紫光光线的通过与否，在对样品表面的光刻胶进行曝光时使激光通过，在不曝光时阻止激光通过；

半透半反镜3，通过电子快门2的紫光激光通过该半透半反镜3时，一部分透射过去，透射率为40-60％；所述半透半反射镜3还将从显微物镜4透射过来的由样品反射的光反射至高反射镜8，反射率为60％-40％；

显微物镜4，透过半透半反射镜3的激光通过该显微物镜4被聚焦到样品5上；而后聚焦光斑被样品5反射后通过显微物镜4收集后，聚焦至半透半反射镜3；

三维电控平移台14，该三维电控平移台14用于承载样品5，并且在控制器系统的控制下在三维空间中进行移动；

红光激光器6，该红光激光器6的波长在600nm-700nm范围内，其发出的红光激光经由半透半反镜7、波长700nm以上高反镜8、半透半反镜3到达显微物镜4，经由显微物镜4会聚后照射到样品5上，用于对聚焦区域的样品上发光材料的泵浦；当所泵浦的样品区域内含有量子点时，量子点会发射单光子，所发射的单光子通过显微物镜4收集，被半透半反镜3反射，再被波长700nm以上高反镜8反射，通过收集透镜9收集后耦合进光纤10中，再经过光纤分束器11，光被均匀分配到两路输出光纤中，最后送入单光子探测器对12中，完成单光子探测；此外，所述红光激光可以作为激光直写曝光光路的光源；所述红光激光还可以被样品5反射后，经过显微物镜4收集，并最终通过光路传递到CCD15中进行成像，所成的像可以作为自动对焦的图形参考依据；自动对焦的最终目的是让紫光激光聚焦良好，因为紫光激光会使得光刻胶感光，因此需要比较弱的紫光；而由于红光激光不会对光刻胶感光，因此红光激光可以比较强，这样在自动对焦时，可利用红光激光进行辅助，在CCD15中形成比较清晰的像，以便更好地进行自动对焦；

半透半反镜7，该半透半反镜7的透射率为40-60％，反射率为60％-40％，用于将红光激光器6发出的光反射向显微镜物镜4；

CCD15，该CCD15可以获取由样品发出的，由显微物镜4收集的，经由半透半反3反射回来的红光激光并成像，所成的像作为自动对焦的参考依据。

所述单光子反聚束测试光路包括：

波长700nm以上高反镜8，其对半导体量子点样品5所发射的波长为700nm-1600nm的光反射率高于90％，而对于波长300nm-700nm的红外激光器6发出的红外光的光透射率高于90％。

收集透镜9，用于收集经由高反镜8反射的半导体量子点样品5所发射的波长在700nm-1600nm的光，并耦合入光纤10中；

光纤10，用于传输经收集透镜9耦合的光；

光纤分束器11，把经由收集透镜9耦合入光纤10的光耦合到两路输出光纤中，分光比在4∶6到6∶4之间；

单光子探测器对12，由两个性能相同的单光子探测器组成，分别接收由所述光纤分束器11的两路输出光纤输出的光信号，并对其进行单光子探测，每探测到一个单光子，就输出一个电脉冲信号；

计数板卡13，接收单光子探测器对12输出的电脉冲信号，并完成对电脉冲信号的时间相关单光子计数处理。

所述控制系统包括：

控制器16，该控制器16用于控制电子快门2的开启与闭合，并收集CCD15获取到的图像进行分析，其控制三维电控平移台14在XYZ三个维度上的移动，以使样品位于显微物镜4的焦平面上，采集计数板卡13获取的计数信息并进行分析。

上述激光直写光刻系统的工作原理如下：能使光刻胶感光的紫光由紫光激光器1发出后，经过电子快门2，穿过半透半反镜3，通过显微物镜4后聚焦在样品5上；而后聚焦光斑被样品5反射后通过显微物镜4收集，被半透半反镜3反射，穿过波长700nm以上高反镜8与半透半反镜7后，入射进CCD15形成光斑达到监测紫激光聚焦是否良好的目的。用作对焦用的红光由红光激光器6发出后，被半透半反镜7反射，透射波长700nm以上高反镜8后，再被半透半反镜3反射，通过显微物镜4后聚焦在样品5上；而后聚焦光斑被样品5反射后通过显微物镜4收集，被半透半反镜3反射，穿过波长700nm以上高反镜8与半透半反镜7后，入射进CCD15形成光斑达到监测红激光聚焦是否良好的目的。

在如上所述的光路基础上，将三维电控平移台14复位，放置并固定好已旋涂光刻胶的样品5；打开红光激光器6，然后将三维电控平移台14的Z轴上升到显微物镜4焦平面附近；使用控制器16记录三维电控平移台14的Z轴处在显微物镜4焦平面附近不同高度处，由CCD15收集到的多幅图像，将各幅图像及其与显微物镜4焦平面的相对位置合并定义为聚焦控制图像集，如图2所述，即是一个聚焦控制图像集的实例。从左向右分别是焦面内、处于焦面，焦面外的图像。图与图之间对应的样品到物镜的距离相差10微米，左边的位置最高。

使用定义好的聚焦控制图像集进行自动对焦，保持自动对焦状态，即将样品5调整到显微物镜4的焦平面上，在不开启电子快门的情况下，由控制器16驱动三维电控平移台14的XY轴进行扫描，并对单光子探测器对12的强度信号进行监测；在扫描过程中，当单光子探测器对12出现强度信号时，表面该区域内有量子点发光，因此停下三维电控平移台14，开始使用计数板卡13进行二阶相干函数测量，如果出现典型的单光子HBT实验二阶相干函数曲线，则记录下该点在三维电控平移台14的坐标系中的坐标。使用计数板卡13的目的是在检测到区域内有量子点发光时，不确定是单量子点还是多量子点发光，因此，需要根据计数板卡13进行二阶相干函数测量才能确定。所述坐标即表示了在此处区域寻找到的单量子点的位置。随后以该坐标为依据编写直写版图文件，该版图表征了我们所希望制作的能结合量子点的微纳结构，然后准备进入直写系统的曝光流程。

在直写系统的曝光流程中，使用定义好的聚焦控制图像集进行自动对焦，即比对当前由CCD15采集到的图像与聚焦控制图像集中的哪幅图像最一致，则认为目前三维电控平移台14的Z轴位置是否处于该图像所对应的显微物镜4焦平面的相对位置处，从而驱动三维电控平移台14的Z轴移动，使样品5移动至显微物镜4焦平面处；打开电子快门2，由控制器16处理输入的版图，驱动三维电控平移台14的XY轴按照版图进行划线移动，同时保持三维电控平移台14的Z轴的自动对焦状态，这样样品5上被紫光激光聚焦照射到的部分就会被曝光；由于版图文件是依照量子点位置的坐标而编制的，那么所曝光的微纳图形的位置也就能与量子点的位置相配合。对样品5进行显影后，就完成了带量子点定位的微纳图形的制作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，包括：

2.根据权利要求1所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其中所述激光直写曝光光路系统包括：

紫光激光器(1)，用于产生波长在300nm-450nm范围内的紫光；

电子快门(2)，用于控制紫光的通过与否；

红光激光器(6)，用于产生波长在600nm-700nm范围内红外激光；

第一半透半反镜(3)，用于透射通过所述电子快门的部分紫光，并反射被样品(5)反射后被显微物镜(4)收集的紫光和红外激光；

第二半透半反镜(7)，用于反射红外激光器发出的红外激光，将其输入至显微物镜(4)，同时反射被第一半透半反镜(3)反射后的紫光和红外激光，将其送入CCD(15)进行成像；

显微物镜(4)，用于将透过所述第一半透半反镜(3)紫光聚焦到样品(5)上，并将红外激光器产生的红外激光聚焦到样品上；同时聚焦到样品上的紫光和红外激光被样品(5)反射后，由所述显微物镜(4)所收集；

三维电控平移台(14)，用于承载样品(5)，并在控制器系统的控制下在三维平面内移动所述样品(5)；

CCD(15)，用于获取入射的光线并对其进行成像。

3.根据权利要求1所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其中单光子反聚束测试光路系统包括：

波长700nm以上高反镜(8)，用于反射样品(5)发出的光；

收集透镜(9)，用于收集经由波长700nm以上高反镜(8)反射的样品发出的光，并将其耦合入光纤(10)中；

光纤(10)，用于传输经收集透镜耦合的光；

光纤分束器(11)，把经由收集透镜9耦合入光纤的光耦合到两路输出光纤中；

单光子探测器对(12)，由两个完全相同的单光子探测器组成，分别接收由光纤分束器(11)输入的两路光，并对其进行单光子探测，每探测一个单光子，就输出一个电脉冲信号；

计数板卡(13)，用于接收单光子探测器对(12)输出的电脉冲信号，并对其进行处理获得单量子点的坐标。

4.根据权利要求1所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其中控制器系统包括：

一控制器(16)，用于控制电子快门(2)的开启与闭合，收集CCD(15)所成的像并进行分析，控制三维电控平移台(14)的移动，并采集计数板卡(13)获取的信息并进行分析。

5.根据权利要求1所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其中所述激光直写曝光光路系统中光路走向包括以下两种：

第一种光路走向：由紫光激光器(1)发出用于对样品(5)表面的光刻胶感光的紫光后，经过电子快门(2)，穿过第一半透半反镜(3)，通过显微物镜(4)后聚焦在样品(5)上；而后聚焦光斑被样品(5)反射后通过显微物镜(4)收集，被第一半透半反镜(3)反射后，穿过波长700nm以上高反镜(8)与第二半透半反镜(7)后，入射进CCD(15)；

第二种光路走向：由红光激光器(6)发出用于自动对焦的红外激光后，被第二半透半反镜(7)反射，穿过波长700nm以上高反镜(8)后，再被第一半透半反镜(3)反射，通过显微物镜(4)后聚焦在样品(5)上；而后聚焦光斑被样品(5)反射后通过显微物镜(4)收集，被第一半透半反镜(3)反射，穿过波长700nm以上高反镜(8)与第二半透半反镜(7)后，入射进CCD(15)。

6.根据权利要求1所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其中单光子反聚束测试光路系统中的光路走向包括：

聚焦在样品(5)上的红外激光激发样品(5)上的量子点发光；

样品(5)上的量子点发的光通过显微物镜(4)收集，并被第一半透半反镜(3)反射，再被波长700nm以上高反镜(8)反射，通过收集透镜(9)收集后耦合进光纤(10)中，再经过光纤分束器(11)，光被分配到两路输出光纤中，最后分别送入单光子探测器对(12)中，用于探测是否为单量子点发出的单光子。

7.根据权利要求1所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其中，所述样品上的量子点材料的发光波长大于等于800nm，包括：CdSe胶体量子点；PbS、PbSe胶体量子点；InGaAs量子点；InP和GaN量子点材料。

8.一种利用权利要求2所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统进行激光直写曝光光刻方法，其包括：

步骤6、对样品(5)进行显影，完成激光直写曝光光刻过程。

9.一种利用权利要求3所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统定位单量子点的方法，包括：：

步骤5、

由控制器(16)驱动三维电控平移台(14)在显微物镜(4)的焦平面上沿XY轴进行扫描，扫描过程中聚焦在所述红外激光发出的红外激光激发样品(5)的量子点发光，量子点所发的光经过单光子反聚束测试光路系统后被送入单光子探测器对(12)，并由单光子探测器对(12)对所述量子点发的光的强度信号进行监测；

10.一种利用权利要求1所述的激光直写光刻系统进行单量子定位并进行激光直写曝光光刻的方法，其包括：

步骤12、对样品(5)进行显影，完成激光直写曝光光刻过程。