CN105242499B - 采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统，该激光干涉光刻系统包括光源组件、扩束准直组件、多光束分光及合束组件、基片台，所述光源组件包括相干光源、第一透镜、第二透镜、闪耀光栅，所述相干光源发出的激光束依次经第一透镜、第二透镜后，再经反射镜折转光路后照射在闪耀光栅上，经闪耀光栅衍射后波长等于一级闪耀波长的光束经过小孔光阑出射，再经所述扩束准直组件、多光束分光及合束组件后分成多个相干光束并同时汇聚照射在位于基片台上的基片表面。本发明具有光能利用率高、相干长度长的优点，既增加了光路调整的灵活性和宽容度，又降低了激光光源谱线宽度要求，扩大了激光光源的选择范围。
Description
技术领域
本发明属于激光干涉光刻技术领域，具体涉及一种采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统。
背景技术
激光干涉光刻系统利用两束或两束以上相干光以一定的方式组合干涉，在空间干涉场内产生有规律的强弱变化的光强度分布，对涂有光致抗蚀剂的基片表面照射进行曝光，显影后在光致抗蚀剂层内产生与干涉图案相对应的光刻胶图形，该图形可看做是为进一步在基片表面刻蚀出线阵、点阵或孔阵图形的模板。激光干涉光刻技术因为其不需要昂贵的投影光刻物镜，用常规的光学元件通过合理的光路布局即可实现微米级的线阵、孔、点阵列的光刻，越来越多地应用于表面密集的周期型阵列图形的制作。在激光干涉光刻系统中，多光束干涉需要对从激光光源中出射的光多次分光，获得多个相干光束，并通过反射镜等光学元件将这些相干光束以一定的夹角汇聚投影照射在基片表面。在激光干涉光刻系统中，激光光源的相干长度是有限的，为保证在基片表面获得干涉图形，各光路之间的光程差必须控制在激光光源的相干长度以内。然而，为了顾及光致抗蚀剂的感光波段范围，在搭建激光干涉光刻系统时，激光器工作波长的选择范围受到限制，在有限的选择范围内，其单色性不能得到保证，有些满足工作波长需求的激光器的相干长度仅有几毫米，使干涉光刻系统中多次分光及光路转折汇聚的过程中光路的布局十分困难，甚至由于受到不同的光刻胶的感光波段范围的限制，在某些波长范围内很难找到满足光路所需的相干长度的激光光源。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统，该激光干涉光刻系统包括光源组件、扩束准直组件、多光束分光及合束组件、基片台，所述光源组件包括相干光源、第一透镜、第二透镜、闪耀光栅，所述相干光源发出的激光束依次经第一透镜、第二透镜后，再经反射镜折转光路后照射在闪耀光栅上，经闪耀光栅衍射后波长等于一级闪耀波长的光束经过小孔光阑出射，再经所述扩束准直组件、多光束分光及合束组件后分成多个相干光束并同时汇聚照射在位于基片台上的基片表面。
上述方案中，所述经所述小孔光阑出射的光束经反射镜折转光路后，再进入到所述扩束准直组件。
上述方案中，所述扩束准直组件采用显微物镜、针孔光阑、扩束镜，进入扩束准直组件的光束经显微物镜、针孔光阑、扩束镜将光束扩束并准直成平行光，然后进入到所述多光束分光及合束组件。
上述方案中，所述多光束分光及合束组件包括第一分光镜、第一反射镜，从扩束准直组件出射的平行光经第一分光镜分成的两束光，其中一束光直接照射在固定于基片台上的基片表面，另一束光经第一反射镜反射后照射在固定于基片台上的基片表面。
上述方案中，所述经第一分光镜后直接照射在固定于基片台上的基片表面的光束，和经第一反射镜反射后照射在固定于基片台上的基片表面的光束，入射角相同。
上述方案中，所述多光束分光及合束组件包括第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜，平行光经过第一分光镜分成两束光，其中一束光经第一反射镜反射后作为光束Ⅰ照射在固定于基片台上的基片表面，另一束光经过第二分光镜再次被分成两束光，其中一束光经第二反射镜折转光路再经第三反射镜反射后作为光束Ⅱ照射在固定于基片台上的基片的表面上，另一束光经第四反射镜反射后作为光束Ⅲ照射在固定于基片台上的基片表面。
上述方案中，所述经第一反射镜反射后照射在固定于基片台上的基片表面的光束Ⅰ、经第三反射镜反射后照射在固定于基片台上的基片表面的光束Ⅱ、经第四反射镜反射后照射在固定于基片台上的基片表面的光束Ⅲ的入射角相同，并且每两束光之间的夹角也相同。
上述方案中，所述闪耀光栅为反射式闪耀光栅，其宏观平面垂直于入射光束的入射方向；具体为：由所述相干光源发出的波长为λ、带宽为Δλ的激光束，以正入射的方式沿着闪耀光栅的宏观平面的法线方向，照射在反射式闪耀光栅上。
上述方案中，所述小孔光阑的开孔大小和距离位置由开孔对闪耀光栅中心的张角确定，具体为：根据张角与目标带宽Δλ1、光栅常数d、一级衍射角θ的关系式确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明采用闪耀光栅和光阑相结合对从激光器出射的光进行定向衍射和滤波，既压窄了激光光源的谱线宽度，同时也降低了滤波造成的光能量的损失，能显著增加干涉光刻系统中光源的相干长度，从而增加多光束干涉系统中各光路的光学零部件摆放位置的灵活性，加大光路调整的宽容度，并且也降低了对激光光源谱线宽度的要求，扩大了激光光源的选择范围。
附图说明
图1为本发明实施例1提供一种采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统的结构示意图；
图2为本发明实施例2提供一种采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中的闪耀光栅的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
为说明本发明所涉及的系统中的主要参数之间的关系，首先需要说明一些参数的定义。
入射角是指入射光与光栅宏观平面的法线之间的夹角，在本发明专利中，入射角为零；衍射角θ指衍射光与光栅宏观平面的法线之间的夹角；闪耀角α定义为光栅的倾斜反射面与宏观平面之间的夹角；光栅常数d即是光栅狭缝的缝距。
实施例1：
本发明实施例提供一种采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统，如图1所示，该激光干涉光刻系统包括光源组件、扩束准直组件、多光束分光及合束组件、基片台18，所述光源组件包括相干光源1、第一透镜2、第二透镜3、闪耀光栅5，所述相干光源1发出的光束依次经第一透镜2、第二透镜3后，再经反射镜4折转光路后照射在闪耀光栅5上，经闪耀光栅5衍射后波长等于一级闪耀波长的光束经过小孔光阑6出射，再经所述扩束准直组件将过滤后的激光束扩束并准直成平行光，经多光束分光及合束组件将光束分成多束相干光并将各束相干光同时汇聚照射在固定于基片台18上的涂有光致抗蚀剂的基片17表面，利用多光束干涉图案对基片17表面涂覆的光致抗蚀剂进行曝光，获得与干涉图案相似的光刻胶图形。
经所述小孔光阑6出射的光束经反射镜7折转光路后，再进入到所述扩束准直组件。
所述扩束准直组件采用了显微物镜8、针孔光阑9、扩束镜10。
所述多光束分光及合束组件包括第一分光镜11、第一反射镜13，从扩束准直组件出射的平行光经第一分光镜11分成的两束光，其中一束光直接照射在固定于基片台18上的基片17表面，另一束光经第一反射镜13反射后照射在固定于基片台18上的基片17表面。
所述经第一分光镜11后直接照射在固定于基片台18上的基片17表面的光束，和经第一反射镜13反射后照射在固定于基片台18上的基片17表面的光束，入射角相同，用双光束干涉图案对基片17表面涂覆的光致抗蚀剂曝光。
所述基片台18可绕台面的法线即基片17表面的法线转动，双光束曝光结束之后，将基片台18绕表面法线转动90°，再对基片台18上的基片17用同一个光学系统进行二次曝光，即完成双光束双曝光。
如图3所示，虚线所示的平面，是闪耀光栅的宏观平面，宏观平面的法线为点划线是闪耀光栅倾斜反射面的法线，所述闪耀光栅5为反射式闪耀光栅，其宏观平面垂直于入射光束的入射方向；具体为：由所述相干光源1发出的波长为λ、带宽为Δλ的激光束，以正入射的方式沿着闪耀光栅5的宏观平面的法线方向，照射在反射式闪耀光栅5上。
所述小孔光阑6安置在衍射光的行进方向上，其方向由衍射角θ确定，在本发明所涉及的系统中，衍射角θ可由其与闪耀光栅5的闪耀角α的关系式θ＝2α求得；所述小孔光阑6进一步过滤掉偏离闪耀波长的光，获得比相干光源更窄的谱线宽度。
所述小孔光阑6的开孔大小和距离位置由开孔对闪耀光栅5中心的张角确定，具体为：根据张角与目标带宽Δλ1、光栅常数d、一级衍射角θ的关系式确定。
例如：所述闪耀光栅5的光栅常数为1μm，闪耀角为12°，光栅表面镀有反射膜。在正入射的情况下，激光束经过闪耀光栅5的定向衍射后，一级闪耀波长为406.7nm的光，沿着衍射角为24°的方向行进，通过放置在行进方向上的小孔光阑6；小孔光阑6的开孔大小为Φ10μm，距闪耀光栅5中心距离为552.5mm；在保持小孔光阑6对闪耀光栅5中心的张角不变或变小的情况下，小孔光阑6的开孔大小也选用Φ5μm，与闪耀光栅5中心的距离为276.2mm。
实施例1中的闪耀光栅5，也可采用光栅常数为625nm，闪耀角为20.2°，同样镀有反射膜的闪耀光栅；此时闪耀波长变为405.1nm，衍射角变为40.4°。位于闪耀光栅5后面的小孔光阑6，摆放位置调整到沿40.2°的衍射角方向，让光束通过。小孔光阑6的开孔直径可选Φ10μm，小孔光阑6距闪耀光栅5中心距离为290.1mm；小孔光阑6的开孔大小也选用Φ5μm，此时小孔光阑6与闪耀光栅5中心的距离为145.0mm。
实施例2：
本发明实施例提供一种采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统，如图2所示，该激光干涉光刻系统包括光源组件、扩束准直组件、多光束分光及合束组件、基片台18，所述光源组件包括相干光源1、第一透镜2、第二透镜3、闪耀光栅5，所述相干光源1发出的激光束依次经由第一透镜2、第二透镜3组成的透镜组后将发散角减小，再经反射镜4折转光路后照射在闪耀光栅5上，经闪耀光栅5衍射后波长等于一级闪耀波长的光束经过小孔光阑6出射，再经过所述扩束准直组件将过滤后的激光束扩束并准直成平行光，经多光束分光及合束组件将光束分成多束相干光并将各束相干光同时汇聚照射在固定于基片台18上的涂有光致抗蚀剂的基片17表面，利用多光束干涉图案对基片17表面涂覆的光致抗蚀剂进行曝光，获得与干涉图案相似的光刻胶图形。
经所述小孔光阑6出射的光束经反射镜7折转光路后，再进入到所述扩束准直组件。
所述扩束准直组件采用显微物镜8、针孔光阑9、扩束镜10，将光束扩束并准直成平行光。
所述多光束分光及合束组件包括第一分光镜11、第二分光镜12、第一反射镜13、第二反射镜15、第三反射镜14、第四反射镜16，平行光经过第一分光镜11分成两束光，其中一束光经第一反射镜13反射后作为光束Ⅰ照射在固定于基片台18上的基片17表面，另一束光经过第二分光镜12再次被分成两束光，其中一束光经反射镜15折转光路再经反射镜14反射后作为光束Ⅱ照射在固定于基片台18上的基片17的表面上，另一束光经反射镜16反射后作为光束Ⅲ照射在固定于基片台18上的基片17表面。
所述经第一反射镜13反射后照射在固定于基片台18上的基片17表面的光束Ⅰ、经第三反射镜14反射后照射在固定于基片台18上的基片17表面的光束Ⅱ、经第四反射镜16反射后照射在固定于基片台18上的基片17表面的光束Ⅲ的入射角相同，并且每两束光之间的夹角也相同，用三光束的干涉图案对基片17表面涂覆的光致抗蚀剂进行曝光。
如图3所示，所述闪耀光栅5为反射式闪耀光栅，其宏观平面垂直于入射光束的入射方向；具体为：由所述相干光源1发出的波长为λ、带宽为Δλ的激光束，以正入射的方式沿着闪耀光栅5的宏观平面的法线方向，照射在反射式闪耀光栅5上。
所述小孔光阑6安置在衍射光的行进方向上，其方向由衍射角θ确定，衍射角θ可由其与闪耀光栅5的闪耀角α的关系式θ＝2α求得；所述小孔光阑6进一步过滤掉偏离闪耀波长的光，获得比相干光源更窄的谱线宽度。
所述小孔光阑6的开孔大小和距离位置由开孔对闪耀光栅5中心的张角确定，具体为：根据张角与目标带宽Δλ1、光栅常数d、一级衍射角θ的关系式确定。
本发明具有光能利用率高、相干长度长的优点，既增加了光路调整的灵活性和宽容度，又降低了激光光源谱线宽度要求，扩大了激光光源的选择范围。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统，其特征在于，该激光干涉光刻系统包括光源组件、扩束准直组件、多光束分光及合束组件、基片台(18)，所述光源组件包括相干光源(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、闪耀光栅(5)，所述相干光源(1)发出的激光束依次经第一透镜(2)、第二透镜(3)后，再经反射镜(4)折转光路后照射在闪耀光栅(5)上，经闪耀光栅(5)衍射后波长等于一级闪耀波长的光束经过小孔光阑(6)出射，再经所述扩束准直组件、多光束分光及合束组件后分成多个相干光束并同时汇聚照射在位于基片台(18)上的基片(17)表面；
所述经所述小孔光阑(6)出射的光束经反射镜(7)折转光路后，再进入到所述扩束准直组件；
所述闪耀光栅(5)为反射式闪耀光栅，其宏观平面垂直于入射光束的入射方向；具体为：由所述相干光源(1)发出的波长为λ、带宽为Δλ的激光束，以正入射的方式沿着闪耀光栅(5)的宏观平面的法线方向，照射在反射式闪耀光栅(5)上。
2.根据权利要求1所述的采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统，其特征在于：所述扩束准直组件包括显微物镜(8)、针孔光阑(9)、扩束镜(10)，进入扩束准直组件的光束经显微物镜(8)、针孔光阑(9)、扩束镜(10)将光束扩束并准直成平行光，然后进入到所述多光束分光及合束组件。
3.根据权利要求1所述的采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统，其特征在于：所述多光束分光及合束组件包括第一分光镜(11)、第一反射镜(13)，从扩束准直组件出射的平行光经第一分光镜(11)分成的两束光，其中一束光直接照射在固定于基片台(18)上的基片(17)表面，另一束光经第一反射镜(13)反射后照射在固定于基片台(18)上的基片(17)表面。
4.根据权利要求3所述的采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统，其特征在于：所述经第一分光镜(11)后直接照射在固定于基片台(18)上的基片(17)表面的光束，和经第一反射镜(13)反射后照射在固定于基片台(18)上的基片(17)表面的光束，入射角相同。
5.根据权利要求1所述的采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统，其特征在于：所述多光束分光及合束组件包括第一分光镜(11)、第二分光镜(12)、第一反射镜(13)、第二反射镜(15)、第三反射镜(14)、第四反射镜(16)，平行光经过第一分光镜(11)分成两束光，其中一束光经第一反射镜(13)反射后作为光束Ⅰ照射在固定于基片台(18)上的基片(17)表面，另一束光经过第二分光镜(12)再次被分成两束光，其中一束光经第二反射镜(15)折转光路再经第三反射镜(14)反射后作为光束Ⅱ照射在固定于基片台(18)上的基片(17)的表面上，另一束光经第四反射镜(16)反射后作为光束Ⅲ照射在固定于基片台(18)上的基片(17)表面。
6.根据权利要求5所述的采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统，其特征在于：所述经第一反射镜(13)反射后照射在固定于基片台(18)上的基片(17)表面的光束Ⅰ、经第三反射镜(14)反射后照射在固定于基片台(18)上的基片(17)表面的光束Ⅱ、经第四反射镜(16)反射后照射在固定于基片台(18)上的基片(17)表面的光束Ⅲ的入射角相同，并且每两束光之间的夹角也相同。
7.根据权利要求1所述的采用闪耀光栅的激光干涉光刻系统，其特征在于：所述小孔光阑(6)的开孔大小和距离位置由开孔对闪耀光栅(5)中心的张角确定，具体为：根据张角与目标带宽Δλ1、光栅常数d、一级衍射角θ的关系式确定。
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