CN110119071A - 干涉光刻系统、打印装置和干涉光刻方法 - Google Patents

干涉光刻系统、打印装置和干涉光刻方法 Download PDF

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Abstract

一种干涉光刻系统，包括位相元件、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和锥透镜组，位相元件、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜沿着光轴传播方向依次设置，第一透镜与第二透镜形成一组4F成像系统，第三透镜与第四透镜形成另一组4F成像系统，锥透镜组沿着光轴传播方向可移动地设置于第三透镜与第四透镜之间。本发明的干涉光刻系统结构简单，制作成本低，能够实现多角度、变周期干涉光刻。本发明还涉及一种打印装置和干涉光刻方法。

Description

干涉光刻系统、打印装置和干涉光刻方法
技术领域
本发明涉及干涉光刻技术领域，特别涉及一种干涉光刻系统、打印装置和干涉光刻方法。
背景技术
表面周期性微纳结构作为一种新兴技术，在多个领域都有其卓越应用前景，如光学减反，防水自清洁，蓝宝石图形化衬底，全息波导，全息3D显示等。
目前用于制造表面微纳结构的方法有电子束直写、纳米压印、高端微缩投影曝光机(stepperscaner)以及全息干涉曝光。而电子束直写设备与高端微缩投影曝光机设备都非常昂贵，生产投入较大。纳米压印技术模具昂贵，而且脱模有缺陷的问题还有待解决。全息干涉曝光技术则可以大面积，低成本，较快速地制作出表面周期性微纳结构。
传统的全息干涉曝光技术，一种周期性结构需要搭建一次光路，而且对于二维的周期性微纳结构则需要三束光以上的干涉光路才能实现，而三束光以上的光路在全息平台上搭建起来比较复杂。在中国专利CN102236267A中，公开了一种多光束多角度的干涉光刻系统，它是由在多个机械臂上通过反射镜组合实现的，其结构庞大，较为复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种干涉光刻系统，结构简单，制作成本低，能够实现多角度、变周期干涉光刻。
一种干涉光刻系统，包括位相元件、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和锥透镜组，位相元件、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜沿着光轴传播方向依次设置，第一透镜与第二透镜形成一组4F成像系统，第三透镜与第四透镜形成另一组4F成像系统，锥透镜组沿着光轴传播方向可移动地设置于第三透镜与第四透镜之间。
在本发明的实施例中，上述位相元件可旋转地设置于第一透镜的前焦面，第二透镜的后焦面与第三透镜的前焦面重合。
在本发明的实施例中，上述锥透镜组包括第一锥透镜和第二锥透镜，第一锥透镜或第二锥透镜沿着光轴传播方向可移动地设置于该第三透镜与该第三透镜的后焦面之间。
在本发明的实施例中，上述第一锥透镜的两侧分别平面和凸锥面，该第一锥透镜的凸锥面正对该第二锥透镜，该第二锥透镜的两侧分别平面和凹锥面，该第二锥透镜的凹锥面正对该第一锥透镜的凸锥面。
在本发明的实施例中，上述第一锥透镜的凸锥面与该第二锥透镜的凹锥面互补。
在本发明的实施例中，上述位相元件为分光元件。
在本发明的实施例中，上述干涉光刻系统还包括挡光光阑，该挡光光阑设置于该第一透镜的后焦面。
本发明还提供一种打印装置，包括上述的干涉光刻系统，该打印装置还包括激光源、分光镜、微缩物镜和平移台，该激光源发出的激光依次经过该干涉光刻系统、分光镜和微缩物镜，并在该平移台上形成干涉曝光场。
在本发明的实施例中，上述打印装置还包括光束整形器、半透半反射镜、检测光路、自动聚焦光路和控制器，该光束整形器设置于该光源于该干涉光刻系统之间，该半透半反射镜设置于该分光镜与该平移台之间，该检测光路设置于该分光镜的透射光路上，该自动聚焦光路设置于该半透半反射镜的反射光路上；该控制器用于控制位相元件旋转、锥透镜组和该平移台移动。
本发明还提供一种干涉光刻方法，该干涉光刻方法利用上述的干涉光刻系统，该干涉光刻方法的步骤包括：
提供激光，使激光依次经过位相元件、第一透镜、第二透镜、第三透镜、锥透镜组、第四透镜，并在该第四透镜的后焦面形成干涉条纹。
在本发明的实施例中，旋转位相元件的角度，改变干涉条纹的角度。
在本发明的实施例中，移动该锥透镜组的第一锥透镜或第二锥透镜，改变干涉条纹的周期。
在本发明的实施例中，在该第一透镜的后焦面设置挡光光阑，利用该挡光光阑对光束进行选择性阻挡。
在本发明的实施例中，该位相元件为分光元件，利用该位相元件对光束进行分光。
本发明的干涉光刻系统的位相元件、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜沿着光轴传播方向依次设置，第一透镜与第二透镜形成一组4F成像系统，第三透镜与第四透镜形成另一组4F成像系统，锥透镜组沿着光轴传播方向可移动地设置于第三透镜与第四透镜之间。因此，本发明的干涉光刻系统结构简单，制作成本低，能够实现多角度、变周期干涉光刻。
附图说明
图1是本发明的干涉光刻系统的结构示意图。
图2是本发明第一实施例的挡光光阑的结构示意图。
图3是本发明的第一锥透镜与第二锥透镜相对距离与光束的关系示意图。
图4是本发明的第一锥透镜与第二锥透镜相对距离与干涉周期的关系坐标图。
图5是本发明第二实施例的位相元件局部结构示意图。
图6是本发明第二实施例的挡光光阑的结构示意图。
图7是本发明第三实施例的打印装置的结构示意图。
图8是本发明第四实施例的干涉光刻方法的流程示意图。
图9是本发明第五实施例的干涉光刻方法的流程示意图。
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，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地描述。
第一实施例
图1是本发明的干涉光刻系统的结构示意图。如图1所示，干涉光刻系统10包括位相元件11a、挡光光阑12a、第一透镜13、第二透镜14、第三透镜15、第四透镜16和锥透镜组17。
位相元件11a、第一透镜13、挡光光阑12a、第二透镜14、第三透镜15、第四透镜16沿着光轴101传播方向依次设置，第一透镜13与第二透镜14形成一组4F成像系统，第三透镜15与第四透镜16形成另一组4F成像系统，锥透镜组17沿着光轴101传播方向可移动地设置于第三透镜15与第四透镜16之间。位相元件11a用于对光束进行分光，位相元件11a为分光元件，例如为光栅，但并不以此为限。在本实施例中，位相元件11a可旋转地设置于第一透镜13的前焦面,第二透镜14的后焦面与第三透镜15的前焦面重合。
图2是本发明第一实施例的挡光光阑的结构示意图。如图1和图2所示，挡光光阑12a设置于第一透镜13的后焦面，挡光光阑12a用于对光束进行选择性阻挡，即挡光光阑12a能较好的实现选择性挡光的功能，例如挡光光阑12a可阻挡零级光，透过正、负一级光，但并不以此为限。当入射的激光经过位相元件11a时被分光，形成正、负一级光和零级光，正、负一级光透过挡光光阑12a，零级光被挡光光阑12a阻挡。在本实施例中，挡光光阑12a上设有不透光的挡光部122，挡光部122位于挡光光阑12a的中部，即挡光部122位于干涉光刻系统10的光轴101上，零级光被挡光部122阻挡，正、负一级光可从挡光部122之外的区域透过。
如图1所示，锥透镜组17可移动地设置于第三透镜15与第三透镜15的后焦面之间。在本实施例中，锥透镜组17包括第一锥透镜172和第二锥透镜173，第一锥透镜172和第二锥透镜173沿着光轴101的传播方向均可移动，例如第一锥透镜172沿着光轴101的传播方向可移动地设置于第三透镜15与第二锥透镜173之间，第二锥透镜173沿着光轴101传播方向可移动地设置于第一锥透镜172与第四透镜16之间。第一锥透镜172的两侧分别平面和凸锥面102，第一锥透镜172的平面正对第三透镜15，第一锥透镜172的凸锥面102正对第二锥透镜173。第二锥透镜173的两侧分别平面和凹锥面104，第二锥透镜173的平面正对第四透镜16，第二锥透镜173的凹锥面104正对第一锥透镜172的凸锥面102，且第一锥透镜172的凸锥面102与第二锥透镜173的凹锥面104互补，即将第一锥透镜172与第二锥透镜173组合在一起时，第一锥透镜172的凸锥面102与第二锥透镜173的凹锥面104完全贴合，但并不以此为限，第一锥透镜172的凸锥面102与第二锥透镜173的凹锥面104不互补，即凸锥面102的锥角和凹锥面104的锥角可自由选择。当入射的激光经过位相元件11a时被分光，形成正、负一级光和零级光，正、负一级光透过挡光光阑12a，零级光被挡光光阑12a阻挡，正、负一级光依次经过第二透镜14、第三透镜15、第一锥透镜172、第二锥透镜173、第四透镜16，并在第四透镜16的后焦面上形成干涉曝光场，进而实现干涉光刻。
在本实施例中，移动第一锥透镜172或第二锥透镜173可改变干涉条纹的周期，实现变周期干涉光刻。由于沿着光轴101旋转位相元件11a时，第四透镜16后面的光束也会绕着光轴101旋转，而且其干涉的条纹方向与位相元件11a方向一致，即通过旋转位相元件11a角度可实现多角度干涉光刻。
图3是本发明的第一锥透镜与第二锥透镜相对距离与光束的关系示意图。图4是本发明的第一锥透镜与第二锥透镜相对距离与干涉周期的关系坐标图。如图3和图4所示，当第一锥透镜172与第二锥透镜173之间的距离d变化时，干涉条纹的周期P2呈线性变化，第一锥透镜172与第二锥透镜173相对距离d与干涉条纹的周期P2的关系满足下述方程(1)：
其中，λ为入射激光的波长；P1为位相元件11a的周期；n为透镜的折射率；α为第一锥透镜172的锥角；f2为第三透镜15的焦距。
上述方程(1)的推导过程如下所述：
如图3所示，正、负一级光束在第一锥透镜172之前，两束光线的间距为D1；经过第一锥透镜172和第二锥透镜173后，其光束的间距为D2；当第一锥透镜172与第二锥透镜173的距离d为0时，D1＝D2；当第一锥透镜172与第二锥透镜173的距离d不为0时，D2＝D1-2ΔD，其中ΔD＝d×tan(arcsin(n×sinα)-α)。当第二锥透镜173相对于第一锥透镜172的距离d增加时，经过第二锥透镜173的光线间距D2变窄，经过第四透镜16的平行光束夹角变小，干涉角度变小。因此，通过改变第一锥透镜172与第二锥透镜173的距离d，可以改变第四透镜16后面光束的夹角，实现变周期干涉光刻。
进一步地，根据位相元件11a方程：P1×sin(β1)＝λ(2)；根据衍射角β1与第三透镜15的焦距f2、第三透镜15之前光线间距D1的几何关系：tan(β1)＝D1/2/f2(3)，通过方程(2)和(3)可以得到位相元件11a周期P1与D1的关系。同理，第四透镜16后面光束的干涉，其干涉条纹的周期P2＝λ/sin(β2)(4)，其中tan(β2)＝D2/2/f2(5)，再由D2与D1的关系就可获得方程(1)。
第二实施例
图5是本发明第二实施例的位相元件局部结构示意图。图6是本发明第二实施例的挡光光阑的结构示意图。如图5和图6所示，本实施例的干涉光刻系统10与第一实施例的干涉光刻系统10的结构大致相同，不同点于本实施例的干涉光刻系统10用于实现多光束、多角度、变周期干涉光刻。
如图5和图6所示，通过改变位相元件11b和挡光光阑12b的结构设计，可实现多光束干涉光刻。具体地，位相元件11b上设有多个呈阵列排布的六角周期结构112，透过位相元件11b的光能产生六束正、负一级光以及一束零级光，六束正、负一级光围绕零级光呈正六角形排布。挡光光阑12b上设有四个不透光的挡光部122，一个挡光部122设置于挡光光阑12b的中部，用于阻挡零级光；另外三个挡光部122绕着中间的挡光部122呈正三角形排布，用于阻挡三束正、负一级光。因此，在第四透镜16后面形成了三束光干涉，干涉成蜂窝阵列结构。
第三实施例
图7是本发明第三实施例的打印装置的结构示意图。如图7所示，打印装置100包括上述的干涉光刻系统10、激光源20、光束整形器30、分光镜40a、半透半反射镜40b、检测光路50a、自动聚焦光路50b、微缩物镜60、平移台70、控制器80和计算机90。在本实施例中，沿着激光的传播方向依次设置光束整形器30、分光镜40a、半透半反射镜40b、微缩物镜60、平移台70，其中检测光路50a设置于分光镜40a的透射光路上，自动聚焦光路50b设置于半透半反射镜40b的反射光路上。
激光源20发出的激光经过光束整形器30后形成平顶光束，之后进入干涉光刻系统10形成干涉光，干涉光经过分光镜40a、半透半反射镜40b和微缩物镜60后在平移台70的感光材料上形成干涉曝光场。控制器80在计算机90设定的程序控制下协调激光源20的脉冲时序、位相元件11a、11b的旋转角度、第一锥透镜172或第二锥透镜173的移动、平移台70的二维移动，在感光材料上光刻出二维或三维图像信息。检测光路50a用于对感光材料表面成像实时记录其过程。自动聚焦光路50b监控并实时调节微缩物镜60与感光材料的距离，实现精确光刻。
第四实施例
图8是本发明第四实施例的干涉光刻方法的流程示意图。如图1和图8所示，该干涉光刻方法利用上述的干涉光刻系统10，该干涉光刻系统10能进行多角度、变周期干涉光刻。该干涉光刻方法的步骤包括：
步骤S11，提供激光，使激光依次经过位相元件11a、第一透镜13、第二透镜14、第三透镜15、锥透镜组17、第四透镜16，并在第四透镜16的后焦面形成干涉条纹。
步骤S12，旋转位相元件11a的角度，改变干涉条纹的角度。
步骤S13，移动锥透镜组17的第一锥透镜172或第二锥透镜173，改变干涉条纹的周期。
步骤S14，在第一透镜13的后焦面设置挡光光阑12a，利用挡光光阑12a对光束进行选择性阻挡，例如利用挡光光阑12a阻挡零级光。
第五实施例
图9是本发明第五实施例的干涉光刻方法的流程示意图。图9所示，该干涉光刻方法利用上述的干涉光刻系统10，该干涉光刻系统10能进行多光束、多角度、变周期干涉光刻。该干涉光刻方法的步骤包括：
步骤S21，提供激光，使激光依次经过位相元件11b、第一透镜13、第二透镜14、第三透镜15、锥透镜组17、第四透镜16，并在第四透镜16的后焦面形成干涉条纹。
步骤S22，旋转位相元件11b的角度，改变干涉条纹的角度。
步骤S23，移动锥透镜组17的第一锥透镜172或第二锥透镜173，改变干涉条纹的周期。
步骤S24，在位相元件11b上设置多个呈阵列排布的六角周期结构112，在挡光光阑12b上设置四个的挡光部122，并在第四透镜16的后焦面形成三束干涉光。
在本实施例中,位相元件11b和挡光光阑21b的结构跟可具实际需要自由设计,用以形成多束干涉光，其结构并不以上述为限。
本发明的干涉光刻系统10的位相元件11a、11b、第一透镜13、第二透镜14、第三透镜15、第四透镜16沿着光轴101传播方向依次设置，第一透镜13与第二透镜14形成一组4F成像系统，第三透镜15与第四透镜16形成另一组4F成像系统，锥透镜组17沿着光轴101传播方向可移动地设置于第三透镜15与第四透镜16之间。因此，本发明的干涉光刻系统10结构简单，制作成本低，能够实现多角度、变周期干涉光刻。
本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (14)

1.一种干涉光刻系统，其特征在于，包括位相元件、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和锥透镜组，该位相元件、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜沿着光轴传播方向依次设置，该第一透镜与该第二透镜形成一组4F成像系统，该第三透镜与该第四透镜形成另一组4F成像系统，该锥透镜组沿着光轴传播方向可移动地设置于该第三透镜与该第四透镜之间。
2.如权利要求1所述的干涉光刻系统，其特征在于，该位相元件可旋转地设置于该第一透镜的前焦面，该第二透镜的后焦面与该第三透镜的前焦面重合。
3.如权利要求1所述的干涉光刻系统，其特征在于，该锥透镜组包括第一锥透镜和第二锥透镜，该第一锥透镜或该第二锥透镜沿着光轴传播方向可移动地设置于该第三透镜与该第三透镜的后焦面之间。
4.如权利要求3所述的干涉光刻系统，其特征在于，该第一锥透镜的两侧分别平面和凸锥面，该第一锥透镜的凸锥面正对该第二锥透镜，该第二锥透镜的两侧分别平面和凹锥面，该第二锥透镜的凹锥面正对该第一锥透镜的凸锥面。
5.如权利要求4所述的干涉光刻系统，其特征在于，该第一锥透镜的凸锥面与该第二锥透镜的凹锥面互补。
6.如权利要求1所述的干涉光刻系统，其特征在于，该位相元件为分光元件。
7.如权利要求1至6任意一项所述的干涉光刻系统，其特征在于，该干涉光刻系统还包括挡光光阑，该挡光光阑设置于该第一透镜的后焦面。
8.一种打印装置，其特征在于，包括权利要求1至7任意一项所述的干涉光刻系统，该打印装置还包括激光源、分光镜、微缩物镜和平移台，该激光源发出的激光依次经过该干涉光刻系统、分光镜和微缩物镜，并在该平移台上形成干涉曝光场。
9.如权利要求8所述的打印装置，其特征在于，该打印装置还包括光束整形器、半透半反射镜、检测光路、自动聚焦光路和控制器，该光束整形器设置于该光源于该干涉光刻系统之间，该半透半反射镜设置于该分光镜与该平移台之间，该检测光路设置于该分光镜的透射光路上，该自动聚焦光路设置于该半透半反射镜的反射光路上；该控制器用于控制位相元件旋转、锥透镜组和该平移台移动。
10.一种干涉光刻方法，其特征在于，该干涉光刻方法利用权利要求1至7任意一项所述的干涉光刻系统，该干涉光刻方法的步骤包括：
提供激光，使激光依次经过位相元件、第一透镜、第二透镜、第三透镜、锥透镜组、第四透镜，并在该第四透镜的后焦面形成干涉条纹。
11.如权利要求10所述的干涉光刻方法，其特征在于，旋转位相元件的角度，改变干涉条纹的角度。
12.如权利要求10所述的干涉光刻方法，其特征在于，移动该锥透镜组的第一锥透镜或第二锥透镜，改变干涉条纹的周期。
13.如权利要求10所述的干涉光刻方法，其特征在于，在该第一透镜的后焦面设置挡光光阑，利用该挡光光阑对光束进行选择性阻挡。
14.如权利要求13所述的干涉光刻方法，其特征在于，该位相元件为分光元件，利用该位相元件对光束进行分光。
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