CN114690298B - 一种基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，包括以下步骤：基于原子光刻技术在基板上进行一次原子光刻，获得原子光刻光栅样板；至少循环执行一次以下操作：利用光阑的限位作用，保持会聚光指向不变，将主透镜及当前的原子光刻光栅样板作为整体沿激光驻波场方向平移一段距离并固定，调整主透镜使返回的会聚光形成驻波场并与金属原子束待沉积区域存在重叠部分，在当前的原子光刻光栅样板上进行一次原子光刻；通过相邻次原子光刻光栅的无缝拼接，获得大面积自溯源光栅。与现有技术相比，本发明有效地解决了自溯源光栅驻波场方向扩展的技术问题，并具备光栅无缝衔接，扩展空间大的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种自溯源光栅，尤其是涉及一种基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，对尺度控制的准确性和精度要求越来越高。2019年，国际单位制重大变革要求所有基本单位都改为自然常数定义，这将有效提升量值溯源的准确性，实现量值传递扁平化。在纳米制造领域，纳米光栅在精密位移测量、仪器校准等方面扮演着重要角色，是纳米级精密测量的基础支撑之一。所谓自溯源光栅，是指光栅某些关键参数可以直接溯源到自然界常数的光栅。由于光栅自身可以完成溯源，因此具备极高的准确性、均匀性与一致性。目前，自溯源光栅的主要制备方法有原子光刻技术、氢钝化型硅表面STM光刻技术等。
原子光刻技术主要利用激光驻波场对原子的偶极力操纵原子运动，使得经过冷却后的原子束穿过激光驻波场后在基板上形成周期性的光栅结构。根据激光驻波场频率失谐量的不同，经过预准直的原子束将向驻波波腹(对应负失谐)或者波节处(对应正失谐)汇聚，形成原子束“沟道化”现象。根据激光驻波场的不同光场分布，可以分别沉积出一维纳米光栅和二维点阵结构。由于光栅的周期直接由原子能级跃迁频率所锁定的激光波长决定，因此可以直接溯源到自然常数，具备自溯源特征，准确性与一致性极高。以铬原子光刻光栅为例，周期为212.8nm的一维自溯源铬光栅经验证准确性与一致性均在0.001nm量级。极高的准确性对于精密仪器校准与位移测量来讲都具有重要意义。例如，同济大学精密光学工程技术研究所采用极高刻线密度(4700线/mm)，准确性与一致性均在0.001nm量级，具有自溯源性的铬自溯源光栅，成功研发了自溯源光栅干涉仪，仅用两倍光学细分就得到了106.4nm的原始周期信号。自溯源光栅干涉仪具有抗干扰能力强，受环境影响小等特点，有望发展成为与激光干涉仪并列的精密位移测量与校准工具。
然而，自溯源光栅结构区域偏小在某种程度上限制了其在关键领域的应用便利性。同样以铬自溯源光栅为例，光栅面积一般为2mm×0.25mm左右(其中0.25mm为高斯方向的宽度，2mm为驻波场方向的长度)。同济大学精密光学工程技术研究采用扫描原子光刻的方法成功的将自溯源光栅的高斯方向扩展到了1.5mm。但是目前驻波场方向自溯源光栅的扩展采用的是将原子束扩大的方法，这种方法不仅造成了原子的浪费和牺牲了自溯源光栅的均匀性，而且不能有效的将自溯源光栅驻波场方向扩展到理想的长度。自溯源光栅驻波场方向的扩展仍然是一个难题。基于上述现状，扩展自溯源光栅驻波场方向长度，发展大面积的自溯源光栅制备方法极其必要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现光栅无缝衔接、扩展空间大的基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，有效地解决了自溯源光栅横向扩展的技术问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，包括以下步骤：
基于原子光刻技术在基板上进行一次原子光刻，获得原子光刻光栅样板；
至少循环执行一次以下操作：
利用光阑的限位作用，保持会聚光指向不变，将主透镜及当前的原子光刻光栅样板作为整体沿激光驻波场方向平移一段距离并固定，调整主透镜使返回的会聚光形成驻波场并与金属原子束待沉积区域存在重叠部分，在当前的原子光刻光栅样板上进行一次原子光刻；
通过相邻次原子光刻光栅的无缝拼接，获得大面积自溯源光栅。
进一步地，所述原子光刻具体包括以下步骤：
在真空环境下将金属粉末加热至升华状态并以泄流方式引出原子束；
喷射原子束经过稳频激光以实现将激光波长锁定在金属原子两个能级的跃迁频率上；
对原子束进行准直；
准直后的原子束经过一束激光驻波场进行空间周期性分布调控，原子束传播方向与激光驻波场场传播方向垂直；
在距离激光驻波场合适的位置放置原子沉积的基板，使周期性分布的原子沉积在基板上，形成光栅结构。
进一步地，所述原子束的元素为铬、铁、钠、铝、镱中任一种。
进一步地，所述基板的材料为单晶硅、微晶玻璃、磷化铟中任一种。
进一步地，通过狭缝和横向激光光场实现对所述原子束的准直。
进一步地，所述激光驻波场由经过道威棱镜的入射光和按原路返回的反射光叠加形成。
进一步地，所述主透镜的移动通过位移台实现，所述原子光刻光栅样板的移动利用真空位移台实现，两者移动距离一致。
进一步地，各次所述原子光刻的过程中，金属原子束炉温、激光波长，稳频光功率，会聚光总功率、会聚光频率失谐量、会聚光与基板的切光比例、会聚光高度和原子束横向冷却效果保持一致。
进一步地，所述会聚光与基板的切光比例在50％以内。
进一步地，所述无缝拼接的次数大于或者等于两次。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明制备方法在实现自溯源光栅面积扩展的同时，可以保证相邻两次自溯源光栅沉积重叠区域光栅线完全重合，实现无缝拼接，重叠区域光栅的半高宽和相邻非重叠区域保持一致，并保证了扩展面积后的光栅不确定度不变。
2、本发明获得的大面积自溯源光栅中，相邻两次拼接区域光栅线是完全重合的，拼接并不改光栅的连续性。
3、在驻波场质量允许的情况下，可以实现多次拼接，自溯源光栅的驻波场方向扩展空间大。
4、在非拼接区域，光栅的均匀性和一致性保持良好，拼接区域只改变了光栅高度，周期准确性和不确定度保持良好。
附图说明
图1为实施例中一维铬原子光刻光栅制备过程的示意图；
图2为实施例中大面积自溯源光栅制备过程的示意图；
图3为实施例中两次拼接原子光刻光栅的光学图；
图4为图3中31处2μm×2μm的AFM二维图和横切面示意图；
图5为图3中32处2μm×2μm的AFM二维图和横切面示意图；
图6为图3中33处2μm×2μm的AFM二维图和横切面示意图；
图1中，11为Cr原子束，12和13为波长为λ的会聚激光束，14为一维铬原子光刻光栅；
图2中，21为波长为425.6nm的会聚光，22反射镜，23为驻波场的波节，24为基板，25为第一次沉积的光栅结构区域，26为第二次沉积的光栅结构区域，27为两次沉积的拼接区域，28为铬原子经过激光驻波场所形成的光栅线；
图3中，31为第一次原子光刻沉积的光栅上的一个点，32为第二次原子光刻沉积的光栅上的一个点，33为两次原子光刻沉积重叠区域光栅上的一个点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在原子光刻研制自溯源光栅的过程中，驻波场的波节始终在反射镜的镜面上，即使在左右移动反射镜的过程中同样会保持该特征，而基板相对于反射镜的位置是固定的，这为通过拼接的方法实现大面积自溯源光栅的研制奠定了技术基础。
本发明提供一种基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，包括以下步骤：
基于原子光刻技术在基板上进行一次原子光刻，获得原子光刻光栅样板；
至少循环执行一次以下操作：
利用光阑的限位作用，保持会聚光指向不变，将主透镜及当前的原子光刻光栅样板作为整体沿激光驻波场方向平移一段距离并固定，调整主透镜使返回的会聚光形成驻波场并与金属原子束待沉积区域存在重叠部分，在当前的原子光刻光栅样板上进行一次原子光刻，主透镜的移动通过位移台实现，原子光刻光栅样板的移动利用真空位移台实现，或者其他方法实现，原子光刻光栅样板移动的距离和主透镜移动的距离保持一致；
通过相邻次原子光刻光栅的无缝拼接，获得大面积自溯源光栅。
上述初始操作和后续的循环操作中每次都形成一个一维原子光刻光栅，通过多次原子光刻光栅的无缝拼接，获得大面积自溯源光栅。
单次原子光刻具体包括以下步骤：
在真空环境下将金属粉末加热至升华状态并以泄流方式引出原子束，原子束的元素可为铬、铁、钠、铝、镱中任一种；
喷射原子束经过稳频激光以实现将激光波长锁定在金属原子两个能级的跃迁频率上；
通过狭缝和横向激光光场对原子束进行准直；
准直后的原子束经过一束激光驻波场进行空间周期性分布调控，原子束传播方向与激光驻波场场传播方法垂直，激光驻波场由经过道威棱镜的入射光和按原路返回的反射光叠加形成；
在距离激光驻波场合适的位置放置原子沉积的基板，使周期性分布的原子沉积在基板上，形成光栅结构，基板的材料为单晶硅、微晶玻璃、磷化铟中任一种。
上述方法有效地解决了自溯源光栅横向扩展的技术问题，并具备光栅无缝衔接，扩展空间大的优点。
实施例
本实施例以铬(Cr)为金属原子束说明上述方法。
图1为一维铬原子光刻光栅制备过程的示意图。一般地，在真空环境下将填充铬粉的坩埚加热至1550℃～1650℃之间使其达到升华状态，形成金属原子束。然进而将准直后的Cr原子束通过与其正交的激光会聚驻波场，在偶极力的作用下沉积到基板上形成一维沉积光栅结构。本实施例中，会聚激光波长为425.6nm，对应Cr原子的共振跃迁能级为7S3→7P4 0，会聚激光频率调节至该共振能级对应中心频率的正失谐(+250MHz)或负失谐(-250MHz)位置，相应铬(Cr)会沉积到驻波场的波节或波腹位置。因此，形成的一维铬(Cr)原子光刻光栅结构周期为所用激光波长的一半，为212.8nm。另外，制备过程中，会聚激光被样板切割比例限制在50％以内。基板一般为硅或磷化铟材料。
图2为本实施例的大面积自溯源光栅制备过程示意图，波长为425.6nm的会聚光21经过反射镜22反射之后形成激光驻波场，由于会聚光经过反射镜反射之后会有π的相位差，所以镜面处始终为驻波场的波节位置。由于基板24相对于反射镜22是固定的，镜面处始终是驻波场的波节23(不会随着反射镜移动而改变)，所以沉积一次之后的光栅结构区域25与下一次沉积的结构区域26的拼接区域27，光栅线是完全重合的。同理，第二次沉积和第三次沉积的拼接区域，光栅线也是完全重合的。在驻波场质量允许的情况下，拼接可以继续进行下去，使光栅的驻波场方向不断扩展而形成大面积自溯源光栅。
图3为两次拼接原子光刻光栅的光学图，31为第一次原子光刻沉积的光栅上的一个点，32为第二次原子光刻沉积的光栅上的一个点，33为两次原子光刻沉积重叠区域光栅上的一个点。两次沉积使用的狭缝为3mm×1.5mm，第二次沉积在第一次沉积的基础上向后移动了约1.2mm，第二次沉积的实验条件和第一次保持一致。图4左图为图3中31处2μm×2μm的AFM二维图，右图为左图黑线位置的横切面，从右图可以看出第一次沉积的光栅31位置处的峰谷高度为22nm，半高宽为70nm。图5左图为图3中32处2μm×2μm的AFM二维图，右图为左图黑线位置的横切面，从右图可以看出第二次沉积的光栅32位置处的峰谷高度为22nm，半高宽为70nm。图6左图为图3中33处2μm×2μm的AFM二维图，右图为左图黑线位置的横切面，从右图可以看出两次沉积重叠区域33位置处的峰谷高度为32nm，半高宽为70nm。从两次沉积的重叠区域AFM可以明显看出重叠区域光栅线完全重合，峰谷高度是两次沉积的效果叠加，比两次高度之和小，比任意单次沉积的高度大，半高宽与两次沉积光栅半高宽较大的保持一致。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于原子光刻技术在基板上进行一次原子光刻，获得原子光刻光栅样板；
至少循环执行一次以下操作：
利用光阑的限位作用，保持会聚光指向不变，将道威棱镜及当前的原子光刻光栅样板作为整体沿激光驻波场方向平移一段距离并固定，调整道威棱镜使返回的会聚光形成驻波场并与金属原子束待沉积区域存在重叠部分，在当前的原子光刻光栅样板上进行一次原子光刻，所述激光驻波场由经过道威棱镜的入射光和按原路返回的反射光叠加形成，所述道威棱镜和原子光刻光栅样板的移动距离一致；
通过相邻次原子光刻光栅的无缝拼接，获得大面积自溯源光栅。
2.根据权利要求1所述的基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，其特征在于，所述原子光刻具体包括以下步骤：
在真空环境下将金属粉末加热至升华状态并以泄流方式引出原子束；
喷射原子束经过稳频激光以实现将激光波长锁定在金属原子两个能级的跃迁频率上；
对原子束进行准直；
准直后的原子束经过一束激光驻波场进行空间周期性分布调控，原子束传播方向与激光驻波场场传播方向垂直；
在距离激光驻波场合适的位置放置原子沉积的基板，使周期性分布的原子沉积在基板上，形成光栅结构。
3.根据权利要求2所述的基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，其特征在于，所述原子束的元素为铬、铁、钠、铝、镱中任一种。
4.根据权利要求1或2所述的基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，其特征在于，所述基板的材料为单晶硅、微晶玻璃、磷化铟中任一种。
5.根据权利要求2所述的基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，其特征在于，通过狭缝和横向激光光场实现对所述原子束的准直。
6.根据权利要求1所述的基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，其特征在于，所述道威棱镜的移动通过位移台实现，所述原子光刻光栅样板的移动利用真空位移台实现。
7.根据权利要求1所述的基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，其特征在于，各次所述原子光刻的过程中，金属原子束炉温、激光波长，稳频光功率，会聚光总功率、会聚光频率失谐量、会聚光与基板的切光比例、会聚光高度和原子束横向冷却效果保持一致。
8.根据权利要求7所述的基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，其特征在于，所述会聚光与基板的切光比例在50％以内。
9.根据权利要求1所述的基于拼接原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，其特征在于，所述无缝拼接的次数大于或者等于两次。
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