CN108415110B - 一种平面全息光栅扫描曝光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的平面全息光栅扫描曝光装置，包括光源激光、准直系统、干涉图样生成单元、用于承载干涉图样生成单元的X向运动工作台、Y向运动工作台及控制器，干涉图样生成单元生成的两束相干光束分别是第一相干光束和第二相干光束，所述第一相干光束和所述第二相干光束在所述Y向运动工作台上相交形成干涉图样，在所述控制器的控制下，所述X向运动工作台沿X向进行步进运动，所述Y向运动工作台沿Y向进行往复运动，可以利用毫米级干涉图样进行平面全息光栅的扫描曝光，避免了传统平面全息光栅曝光装置中，大口径光学元件上的瑕疵对光栅制作的影响，且可以对曝光过程中的扰动进行扫描均化，系统组成较为简单、成本较低、对环境要求较低。

Description

一种平面全息光栅扫描曝光装置

技术领域

本发明涉及全息光栅制作领域，特别涉及一种平面全息光栅扫描曝光装置。

背景技术

平面全息光栅的制作具体过程是在光学稳定的平玻璃基底上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀剂或其他光敏材料的涂层。由激光器形成两束相干光束，使其在涂层上产生一系列均匀的干涉条纹，则光敏物质被感光。然后用特种溶剂溶蚀掉被感光部分，即在蚀层上获得干涉条纹的全息像。所制得为透射式衍射光栅；如在玻璃坯表面镀一层铝反射膜后，可制成反射式衍射光栅。这种方法制造的光栅线槽密度高，划面宽度大。全息光栅没有鬼线，杂散光小，可消除机刻光栅的固有缺点，其实际分辨本领可达理论分辨本领的80％～100％。

曝光过程是全息光栅制作过程中最为重要的工艺环节之一，传统的静态平面全息光栅曝光装置主要分为分振幅型和分波前型两种类型。静态曝光装置的光学元件均固定于静止的光学平台上，为保证光栅基底有效面积的曝光，干涉场的尺寸需大于光栅基底尺寸，因此静态平面全息光栅曝光系统中将包含大口径的准直透镜或洛埃镜，大口径光学元件上的瑕疵将直接记录于光栅基底上且外部环境变化将影响静态全息光栅曝光装置的曝光对比度。

美国麻省理工学院曾提出毫米级口径的扫描干涉场曝光装置，该装置中采用小口径的光学元件，有效避免了大口径光学元件的瑕疵。且在扫描过程中，由于外部环境引起的条纹相位变化，在扫描运动过程中可以得到有效均化。但该系统基于外差相位测量方法，采用二维运动工作台承载光栅基底进行二维运动，由激光干涉仪进行工作台位移的精密测量，实现反馈控制。系统组成复杂，成本高昂，且干涉仪的使用对环境控制的要求很高。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种平面全息光栅扫描曝光装置，可以利用干涉图样进行平面全息光栅的扫描曝光，避免了传统平面全息光栅曝光装置中，大口径光学元件上的瑕疵对光栅制作的影响，且可以对曝光过程中的扰动进行扫描均化，系统组成较为简单、成本较低、对环境要求较低。

本发明实施例中提供的平面全息光栅扫描曝光装置，包括光源激光、准直系统、干涉图样生成单元、用于承载所述干涉图样生成单元的X向运动工作台、Y向运动工作台及控制器，所述干涉图样生成单元生成的两束相干光束分别是第一相干光束和第二相干光束，所述第一相干光束和所述第二相干光束在所述Y向运动工作台上相交形成干涉图样，在所述控制器的控制下，所述X向运动工作台沿X向进行步进运动，所述Y向运动工作台沿Y向进行往复运动。

可选地，所述干涉图样生成单元包括分束棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、角镜、压电陶瓷、第三平面反射镜以及光电探测器，所述角镜安装在所述压电陶瓷上，所述控制器分别与所述压电陶瓷和所述光电探测器电性连接，所述光源激光经过准直系统后形成平面波，所述平面波经过分束棱镜形成第一相干光束和第二相干光束，所述第一相干光束依次经过所述第一平面反射镜以及所述第二平面反射镜照射在所述Y向运动工作台，所述第二相干光束依次经过所述角镜、所述第三平面反射镜照射在所述Y向运动工作台。

可选地，所述干涉图样生成单元还包括分光片，本次扫描干涉图样与已经扫描形成的潜像光栅之间存在重叠，所述第一相干光束经过潜像光栅形成的一级衍射光和所述第二相干光束的反射光经过所述分光片后形成莫尔条纹，所述光电探测器接收所述莫尔条纹并将光强变化输出至所述控制器，所述控制器根据所述光强变化驱动所述压电陶瓷带动所述角镜产生位移直至所述干涉图样的干涉条纹相位匹配。

可选地，所述平面波采用毫米级直径的平面波。

可选地，所述准直系统包括空间滤波器以及准直透镜，所述空间滤波器包括显微物镜及针孔。

可选地，所述准直透镜采用石英材料凸透镜。

可选地，所述压电陶瓷的行程大于±λ/2，其中，λ为所述光源激光的波长。

可选地，所述光电探测器采用光电倍增管。

可选地，所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第三平面反射镜均采用玻璃基底镀铝反射镜。

可选地，所述X向运动工作台采用满足垂直光栅刻线方向行程的精密一维工作台，所述Y向运动工作台采用满足光栅刻线方向行程的精密一维工作台。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的平面全息光栅扫描曝光装置，包括光源激光、准直系统、干涉图样生成单元、用于承载所述干涉图样生成单元的X向运动工作台、Y向运动工作台及控制器，所述干涉图样生成单元生成的两束相干光束分别是第一相干光束和第二相干光束，所述第一相干光束和所述第二相干光束在所述Y向运动工作台上相交形成干涉图样，在所述控制器的控制下，所述X向运动工作台沿X向进行步进运动，所述Y向运动工作台沿Y向进行往复运动，可以利用毫米级干涉图样进行平面全息光栅的扫描曝光，避免了传统平面全息光栅曝光装置中，大口径光学元件上的瑕疵对光栅制作的影响，且可以对曝光过程中的扰动进行扫描均化，系统组成较为简单、成本较低、对环境要求较低。

附图说明

图1是本发明实施例中的平面全息光栅扫描曝光装置的结构示意图。

附图标记：

光源激光1、准直系统2、平面波3、分束棱镜4、第一相干光束5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、第二相干光束8、角镜9、压电陶瓷10、第三平面反射镜11、X向运动工作台12、光栅基底13、Y向运动工作台14、分光片15、干涉图样16、潜像光栅17、光电探测器18、控制器19。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明实施例中提供的平面全息光栅扫描曝光装置，包括光源激光1、准直系统2、干涉图样生成单元、用于承载所述干涉图样生成单元的X向运动工作台12、Y向运动工作台14及控制器19，所述干涉图样生成单元生成的两束相干光束分别是第一相干光束5和第二相干光束8，所述第一相干光束5和所述第二相干光束8在所述Y向运动工作台14上相交形成干涉图样16，在所述控制器19的控制下，所述X向运动工作台12沿X向进行步进运动，所述Y向运动工作台14沿Y向进行往复运动，在曝光过程中，由X向运动工作台12带动干涉图样生成单元，实现干涉图样16沿X方向的步进运动，由Y向运动工作台14带动光栅基底13往复，实现干涉图样沿Y方向的相对扫描运动，X向运动工作台12与Y向运动工作台13交替运动，实现光栅基底13的曝光。

具体地，干涉图样生成单元包括分束棱镜4、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、角镜9、压电陶瓷10、第三平面反射镜11以及光电探测器18，所述角镜9安装在所述压电陶瓷10上，所述控制器19分别与所述压电陶瓷10和所述光电探测器18电性连接，所述光源激光1经过准直系统2后形成平面波3，所述平面波3经过分束棱镜4形成第一相干光束5和第二相干光束8，所述第一相干光束5依次经过所述第一平面反射镜6以及所述第二平面反射镜7照射在所述Y向运动工作台，所述第二相干光束8依次经过所述角镜9、所述第三平面反射镜11照射在所述Y向运动工作台，第一相干光束5经过第一平面反射镜6、第二平面反射镜7后，入射到光栅基底13上，第二相干光束8经过角镜9、第三平面反射镜11后，入射到光栅基底13上，两束相干光束形成毫米级直径的干涉图样16。

具体地，所述干涉图样生成单元还包括分光片15，本次扫描干涉图样与已经扫描形成的潜像光栅之间存在重叠，第一相干光束5经过潜像光栅形成的一级衍射光和第二相干光束8的反射光经过所述分光片后形成莫尔条纹，所述光电探测器18接收所述莫尔条纹并将光强变化输出至所述控制器19，所述控制器19根据所述光强变化驱动所述压电陶瓷10带动所述角镜产生位移直至所述干涉图样的干涉条纹相位匹配。

本发明实施例中提供的一种平面全息光栅扫描曝光装置的工作原理是这样的：光源激光1经过准直系统2后，形成毫米量级直径的平面波3，平面波3经过分束棱镜4分束后，形成第一相干光束5和第二相干光束8，第一相干光束5经过第一平面反射镜6、第二平面反射镜7后，入射到光栅基底13上。第二相干光束8经过角镜9、第三平面反射镜11后，入射到光栅基底13上。两束相干光束形成毫米级直径的干涉图样16，分束棱镜4、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、压电陶瓷10、第三平面反射镜11、分光片15及光电探测器18固定于X向运动工作台12上，压电陶瓷10通过柔性铰链等方式连接角镜9，使得角镜9可以沿着与入射光平行的方向运动，光栅基底13放置于Y向运动工作台14上，在曝光过程中，由X向运动工作台12带动干涉图样生成单元，实现干涉图样16沿X方向的步进运动，由Y向运动工作台14带动光栅基底13往复，实现干涉图样沿Y方向的相对扫描运动，X向运动工作台12与Y向运动工作台13交替运动，实现光栅基底13的曝光。

X向运动工作台步进位移可以为干涉图样16的半径，此时在扫描曝光过程中，干涉图样16与已经曝光完成的潜像光栅17作用，第一相干光束5的一级衍射光，与第二相干光束8的反射光经过分光片15后，形成莫尔条纹，该莫尔条纹由光电探测器18接收，光电探测器18固定于X向运动工作台上。光电探测器18将光强变化输入控制器19，控制器19驱动压电陶瓷10，调节角镜9的位移，进而通过角镜9调整第二相干光束8的光程，使光电探测器18测得的电压信号保持不变，使重叠扫描区域的干涉条纹相位匹配，此时两次扫描过程中，干涉条纹的相位是匹配的。

本发明按图1所示的结构实施，其中光源激光1由满足曝光波长及相干性要求的激光器产生，这里选用Kr+激光器，其波长为413.1nm。准直系统2内部包含空间滤波器和准直透镜，空间滤波器包含显微物镜和针孔，准直透镜选用石英材料凸透镜，对此不做限定。

本实施例中，第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、第三平面反射镜11为玻璃基底镀铝反射镜，对此不做限定。

本实施例中，X向运动工作台12为满足垂直光栅刻线方向行程的精密一维工作台，Y向运动工作台14为满足光栅刻线方向行程的精密一维工作台，对此不做限定。

本实施例中，光电探测器18选用光电倍增管，光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件，以实现微弱能量莫尔条纹的测量，对此不做限定。

本实施例中，压电陶瓷10行程大于±λ/2，λ为激光器波长，即具有最小±π的干涉条纹相位调整范围，此处选择芯明天科技公司的集成压电驱动线性工作台XP-620.12K，对此不做限定。

本实施例中，光栅基底13采用K9光学玻璃或所需材料基底，光栅基底上涂敷的光致抗蚀剂，此处为日本Shipley 1805正型光致抗蚀剂，对此不做限定。

本实施例中，控制器可选用模拟控制器或带有模数及数模转换的数字控制器，内部采用PID或超前滞后等控制算法进行反馈控制，对此不做限定。

本发明提供的平面全息光栅扫描曝光装置，包括光源激光、准直系统、干涉图样生成单元、用于承载所述干涉图样生成单元的X向运动工作台、Y向运动工作台及控制器，所述干涉图样生成单元生成的两束相干光束分别是第一相干光束和第二相干光束，所述第一相干光束和所述第二相干光束在所述Y向运动工作台上相交形成干涉图样，在所述控制器的控制下，所述X向运动工作台沿X向进行步进运动，所述Y向运动工作台沿Y向进行往复运动，可以利用毫米级干涉图样进行平面全息光栅的扫描曝光，避免了传统平面全息光栅曝光装置中，大口径光学元件上的瑕疵对光栅制作的影响，且可以对曝光过程中的扰动进行扫描均化，系统组成较为简单、成本较低、对环境要求较低。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种平面全息光栅扫描曝光装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种平面全息光栅扫描曝光装置，其特征在于，包括光源激光、准直系统、干涉图样生成单元、用于承载所述干涉图样生成单元的X向运动工作台、Y向运动工作台及控制器，所述干涉图样生成单元生成的两束相干光束分别是第一相干光束和第二相干光束，所述第一相干光束和所述第二相干光束在所述Y向运动工作台上相交形成干涉图样，在所述控制器的控制下，所述X向运动工作台沿X向进行步进运动，所述Y向运动工作台沿Y向进行往复运动；

所述干涉图样生成单元包括分束棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、角镜、压电陶瓷、第三平面反射镜以及光电探测器，所述角镜安装在所述压电陶瓷上，所述控制器分别与所述压电陶瓷和所述光电探测器电性连接，所述光源激光经过准直系统后形成平面波，所述平面波经过分束棱镜形成第一相干光束和第二相干光束，所述第一相干光束依次经过所述第一平面反射镜以及所述第二平面反射镜照射在所述Y向运动工作台，所述第二相干光束依次经过所述角镜、所述第三平面反射镜照射在所述Y向运动工作台；

所述干涉图样生成单元还包括分光片，本次扫描干涉图样与已经扫描形成的潜像光栅之间存在重叠，所述第一相干光束经过潜像光栅形成的一级衍射光和所述第二相干光束的反射光经过所述分光片后形成莫尔条纹，所述光电探测器接收所述莫尔条纹并将光强变化输出至所述控制器，所述控制器根据所述光强变化驱动所述压电陶瓷带动所述角镜产生位移直至所述干涉图样的干涉条纹相位匹配。

2.根据权利要求1所述的平面全息光栅扫描曝光装置，其特征在于，所述平面波采用毫米级直径的平面波。

3.根据权利要求1所述的平面全息光栅扫描曝光装置，其特征在于，所述准直系统包括空间滤波器以及准直透镜，所述空间滤波器包括显微物镜及针孔。

4.根据权利要求3所述的平面全息光栅扫描曝光装置，其特征在于，所述准直透镜采用石英材料凸透镜。

5.根据权利要求2所述的平面全息光栅扫描曝光装置，其特征在于，所述压电陶瓷的行程大于±λ/2，其中，λ为所述光源激光的波长。

6.根据权利要求2所述的平面全息光栅扫描曝光装置，其特征在于，所述光电探测器采用光电倍增管。

7.根据权利要求2所述的平面全息光栅扫描曝光装置，其特征在于，所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第三平面反射镜均采用玻璃基底镀铝反射镜。

8.根据权利要求1所述的平面全息光栅扫描曝光装置，其特征在于，所述X向运动工作台采用满足垂直光栅刻线方向行程的精密一维工作台，所述Y向运动工作台采用满足光栅刻线方向行程的精密一维工作台。