CN106444297B - 一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置 - Google Patents

一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置。该装置包括He‑Cd激光器，光电快门，短焦距透镜、长焦距透镜，分束器，平面反射镜A、平面反射镜B，光刻胶样品和样品旋转控制系统。He‑Cd激光器发出的激光束经光电快门，短焦距透镜、长焦距透镜，分束器后，成为两束强度相等的激光束，并分别被平面反射镜A、平面反射镜B反射后辐照光刻胶样品进行曝光。通过对光刻胶样品的旋转和多次双光束干涉曝光，以及对激器波长的选择，可刻写制备出一维光栅，二维点阵、六边形、同心等间隔圆环以及纵横周期不同的二维矩形点阵等各种微纳结构。本发明具有结构简单、成本低廉的优势，在微纳结构制造领域具有广泛应用。

Description

一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置
技术领域
本发明属于激光干涉刻写微纳结构技术领域，涉及一种激光干涉刻写微纳结构的装置，特别涉及一种基于样品旋转和激光双光束干涉刻写微纳结构的装置。
背景技术
微纳结构在光子晶体、衍射光栅、生物传感器等领域具有重要应用。目前利用激光干涉刻写微纳结构大都是通过两束激光在样品表面干涉刻写一维周期性光栅结构或者是利用多束激光干涉刻写复杂二维周期性结构。
现有激光干涉光刻技术存在的缺点主要是：1）利用两束激光干涉能够刻写的微纳结构仅限于一维周期性光栅，这无疑限制了光刻结构的广泛应用。2）利用多光束干涉刻写复杂二维周期性光学结构所需的光路复杂，价格昂贵，且不便于操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置，对现有激光干方涉刻写微纳结构的方法和设备进行了技术改进，从而实现了多种一维或二维的微纳结构的刻写，降低了光刻成本和操作难度。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置，包括He-Cd激光器、光电快门、短焦距透镜、长焦距透镜、分束器、平面反射镜A、平面反射镜B、光刻胶样品、样品旋转控制系统：
所述的He-Cd激光器作为曝光刻写光源，其发射的激光可以在325nm和442nm的两种波长之间切换，且切换前后所发射的激光的空间位置完全不变。
所述的光电快门用来控制是否曝光及曝光的时间；使用时，调整光电快门的开、关状态，以决定激光束是否曝光样品以及曝光时间。
所述的短焦距透镜、长焦距透镜，用于对激光束扩束，以实现大面积曝光刻写。
所述的分束器将入射的激光束分为两束强度相等的相干光，进而分别射向平面反射镜A、平面反射镜B。
所述的平面反射镜A、平面反射镜B，把经分束器射出的两束激光束反射到光刻胶样品上，从而对光刻胶样品进行曝光刻写；使用时，通过改变两平面镜的位置可改变两束激光的夹角。
所述的光刻胶样品放置在样品旋转控制系统上，控制系统可以控制样品旋转某一特定角度或连续旋转任意角度；曝光样品时，打开He-Cd激光器和光电快门，选择曝光用的激光波长，从光电快门出射的激光束先后经过短焦距透镜、长焦距透镜和分束器，再经平面镜A和平面镜B反射到光刻胶样品上对其进行曝光；同时，可以通过控制He-Cd激光器发射的激光波长和光电快门的开关状态以及样品旋转控制系统以实现对样品不同方式的旋转曝光刻写，最后得到相应的微纳结构。
本发明微纳结构刻写装置具有如下优点：
1）基于样品旋转和激光双光束干涉，通过多次旋转样品曝光或连续旋转样品曝光，可以刻写制备出诸如一维光栅、二维点阵、六边形、同心等间隔圆环等多种微纳结构。
2）基于样品旋转和激光双光束干涉，可实现大面积刻写，且相比于多光束干涉刻写装置，光路简单，易于操作，降低了光刻成本。
3）利用He-Cd激光器发射325nm和442nm两种波长的激光束对光刻胶样品进行曝光刻写可得到横纵周期不同的矩形点阵结构，诸如矩形点阵，梯形点阵等。
附图说明
图1是本基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置的结构示意图。
图2是以样品表面几何中心为坐标原点建立的笛卡尔坐标系的xoz平面上的光路示意图，z轴垂直于光刻胶样品表面，x轴方向是水平方向。
图3是用325nm的激光束对样品曝光刻写一次得到的一维光栅结构。
图4是用325nm的激光束在第一次曝光后，旋转样品90°并再次曝光样品相同时间可以得到的二维等周期点阵结构。
图5是用325nm的激光束曝光样品三次，旋转样品两次，每次曝光相同时间后旋转60°，得到的六边形点阵结构。
图6是用325nm的激光束，让样品连续曝光旋转180°的条件下得到的同心等间隔圆环结构。
图7是先用325nm的激光束曝光样品一次后，再切换激光器波长，使用442nm的激光束曝光相同时间后可以得到的横纵周期不同的矩形点阵结构。
图1中：1. He-Cd激光器，2.光电快门，3.短焦距透镜，4.长焦距透镜，5.分束器，6.平面反射镜A，7.平面反射镜B，8.光刻胶样品，9.样品旋转控制系统。
图2中：表示激光束1的波矢，表示激光束2的波矢，θ表示激光束的入射角。
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。
如图1所示，本发明一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置，包括He-Cd激光器1、光电快门2、短焦距透镜3、长焦距透镜4、分束器5、平面反射镜A 6、平面反射镜B 7、光刻胶样品8、样品旋转控制系统9，其中：
He-Cd激光器1可以通过切换，发射波长为325nm和442nm的两种激光束作为曝光光源，且切换前后发出的激光束空间位置完全相同。
光电快门2用来控制激光束是否曝光光刻胶样品8，以及曝光光刻胶样品8的时间，调整光电快门2的开关状态以实现对光刻胶样品8的曝光以及时间的控制。
短焦距透镜3、长焦距透镜4组合对He-Cd激光器1发射的激光束进行扩束，以实现大面积刻写。
分束器5可以把入射的激光束分为两束强度相等的相干光，沿两个不同方向射出。
平面反射镜A 6、平面反射镜B 7把经分束器5射出的两束激光束反射到光刻胶样品8上，以一定的夹角进行干涉，实现曝光刻写。
光刻胶样品8放置在样品旋转控制系统9上，样品旋转控制系统9控制光刻胶样品8的旋转，可以使光刻胶样品8旋转某一特定角度或连续旋转任意角度。下面结合具体实施例进行进一步说明：
实施例1
参照图1所示的一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置的结构示意图，He-Cd激光源1选择发射波为325nm的激光束，打开光电快门2，激光束通过光电快门2后，先后经过短焦距透镜3、长焦距透镜4后被扩束，再被分束器5分为两束强度相同的相干光从两个方向射出，最后被平面反射镜A6、平面反射镜B7反射到光刻胶样品8上对其进行曝光，入射角θ=10°，曝光一定时间后，经后续显影、定影等工艺，即可得到一维周期性光栅结构。如图3所示。
实施例2
参照图1所示的一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置的结构示意图，用325nm的激光束第一次曝光样品一定时间后，关闭光电快门2，通过样品旋转系统9使光刻胶样品8旋转90°，之后再打开光电快门2，再次曝光光刻胶样品8相同时间T，其他步骤参照实施例1，最后得到的微纳结构是二维周期性点阵结构，如图4所示。
实施例3
参照图1所示的一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置的结构示意图，曝光光刻胶样品8三次，每次曝光相同时间后关闭光电快门2，并通过样品旋转控制器9使光刻胶样品8旋转60°，其他步骤参照实施例1，可以得到六边形点阵结构，如图5所示。
实施例4
参照图1所示的基于样品旋转和激光双光束干涉刻写微纳结构的装置结构示意图，保持He-Cd激光器1和光电快门2为开启状态，旋转控制器9使光刻胶样品8以一定角速度ω 0匀速旋转，旋转过180°后关闭光电快门2，停止曝光，其他步骤参照实施例1，可以得到同心等间隔圆环结构，如图6所示。
实施例5
参照图1所示的一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置的结构示意图，用325nm的激光束第一次曝光样品一定时间后，关闭光电快门2，把He-Cd激光器发射的激光波长切换到442nm，通过样品旋转控制系统9使光刻胶样品8旋转90°，然后再次打开光电快门2，曝光光刻胶样品8相同时间T，其他步骤参照实施例1，可以得到横纵周期不同的二维周期性矩形点阵，如图7所示。
下面用平面光波干涉原理结合坐标矩阵变换理论来说明本发明微纳结构刻写装置的原理：
图2是以光刻胶样品8的中心为坐标原点建立的笛卡尔坐标系xyz的xoz平面上的光路示意图，其中显示了两束相干光经过平面反射镜A 6、平面反射镜B 7后入射到光刻胶样品8上干涉，两激光束的入射角均为θ。理想条件下，两束相干光波可视为平面波，它们的电矢量和可以表达为：
两式中和表示振幅，和分别表示两束激光束的波矢，和分别表示两激光束的位置矢量，ω表示光的角频率， t表示时间，由于两束光的初相和相同，因此，为方便计算可设为0。图2中光刻胶样品8的曝光面为xoy平面，两束激光垂直y轴入射到光刻胶样品8的表面，这种情况下，两束激光在x轴上的电矢量分量可写成：
这两束激光束干涉时，沿轴方向形成周期性的干涉光场分布，总场强可以表示为：
由于光刻胶的感光性质，所以可以用光强I表示刻写出的微纳结构。光强I正比于电场强度平方E 2，由于这里只研究光强的空间分布特点，总的光强表达式表示为：
式中，λ为激光束波长，为方便计算，可设I 1和I 2均为1（I 1= I 2=1），因此（6）式可简化为：
因此，这两束激光干涉形成的光强分布的周期为：
基于上述两束激光束在光刻胶样品8表面干涉的光强分布推导，在光刻胶样品8以多次旋转曝光的方式曝光的条件下，运用坐标矩阵变换理论，可以得到旋转过一定角度后光刻胶样品8表面上的光强分布，假设I n代表第n次曝光，是第n次曝光时样品旋转控制器9使光刻胶样品8转过的总角度，则变换达式如下：
因此，N次曝光后，总的光强分布可以表示为：
在光刻胶样品8连续旋转曝光的条件下，可设光刻胶样品8旋转的角速度为ω 0，则有，所以结合（9）式，某一时刻t的光强分布可以写为：
如果光刻胶样品8旋转曝光一段时间T后，则光刻胶样品8上总的光强分布可写为：
本实用新型一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置，基于样品旋转和激光双光束干涉，能够实现多种周期性微纳结构的刻写。比如曝光光刻胶样品8三次，每次曝光后控制样品旋转控制系统9使光刻胶样品旋转60°，可以刻写出六边形点阵结构；连续旋转曝光光刻胶样品8，当光刻胶样品8旋转过180°后，可以刻写出同心等间隔圆环结构。相比于其他多光束激光刻写，本装置光路结构简单，操作方便，一定程度上降低了光刻成本，因此在微纳结构的制备领域具有广泛的应用前景。

Claims (1)

1.一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置，其特征在于，包括He-Cd激光器（1）、光电快门（2）、短焦距透镜（3）、长焦距透镜（4）、分束器（5）、平面反射镜A（6）、平面反射镜B（7）、光刻胶样品（8）、样品旋转控制系统（9）：
所述的光电快门（2）是控制激光束是否曝光样品以及曝光时间的开关，射出光电快门（2）的光先后经过短焦距透镜（3）、长焦距透镜（4）后被扩束，再经过分束器（5）被分为两束光强和相位均相同的相干光，并沿不同方向出射，最后通过平面反射镜A（6）、平面反射镜B（7）反射后辐照到光刻胶样品（8）上对其进行曝光，通过控制样品旋转控制系统（9）实现对光刻胶样品8不同方式的旋转，进而对光刻胶样品（8）进行不同方式的曝光，经显影、定影等后续工艺处理后即可得到相应的微纳结构；
所述的He-Cd激光器（1）作为曝光光源，其发射的激光束可以在325nm和442nm的两种不同波长之间切换，且切换前后发射的激光束的空间位置完全不变；
对激光束扩束由两个焦距不同的短焦距透镜（3）、长焦距透镜（4）实现，以使He-Cd激光器（1）发出的激光束在通过它们后被扩束，实现大面积刻写；
所述的分束器（5）是把从短焦距透镜（3）、长焦距透镜（4）射出的激光束分为相位和光强均相等的两束激光，射出时沿两个方向分别射向平面反射镜A（6）、平面反射镜B（7）上；从分束器（5）射出的的两束相同的激光束被平面反射镜A（6）、平面反射镜B（7）反射到光刻胶样品（8）上，调节平面反射镜A（6）、平面反射镜B（7）的位置可以改变两束激光束的入射角，进而刻写不同周期的微纳结构；光刻胶样品（8）放置在样品旋转控制系统（9）上，在样品旋转控制系统（9）的控制下，光刻胶样品（8）可以绕其中心线旋转某一特定角度或连续旋转任意角度；
光刻胶样品（8）可以绕其中心线旋转某一特定角度，对光刻胶样品（8）曝光一次可得到一维周期性光栅；对光刻胶样品（8）曝光两次，并在第二次曝光前旋转光刻胶样品（8）90°，得到二维周期性点阵结构；对光刻胶样品（8）曝光三次，每次曝光后旋转光刻胶样品（8）60°，得到六边形点阵结构；
光刻胶样品（8）可以绕其中心线连续旋转任意角度，通过控制样品旋转控制系统（9）使光刻胶样品（8）以一定角速度ω 0匀速旋转曝光，旋转180°后，得到同心等间隔圆环结构；
通过改变He-Cd激光器发射的激光束的波长，曝光光刻胶样品（8）两次，第一次用325nm的激光束，再旋转光刻胶样品（8）90°，使用442nm的激光束第二次曝光样品相同时间，可得到纵横周期不同的二维矩形点阵结构。
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