CN117784532A - 一种大面积相位型计算全息图的制备系统和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大面积相位型计算全息图的制备系统和制备方法。本发明大面积相位型计算全息图的制备方法通过设计搭建了一种大面积相位型计算全息图的制备系统，通过光刻胶激发光路中微镜阵列和微透镜阵列的设计使用，产生万束激光并行刻写，实现100mm/s的等效刻写速度，每个光束的横向最小特征尺寸达到50nm，能够实现刻写制造大面积相位型计算全息图。设计的大面积相位型计算全息图采用类光子筛结构，与传统波带片形式的计算全息图相比，能够大幅度提升面型检测的精确度，实现极紫外光刻物镜的高精度非球面面形检测。
Description
技术领域
本发明属于光学精密制造技术领域，具体涉及一种大面积相位型计算全息图的制备系统和制备方法。
背景技术
光刻物镜系统是极紫外光刻机中最精密、最复杂的分系统。随着数值孔径NA的提高，高陡度、大偏离量非球面的精度要求也逐渐提高，针对复杂曲面在全口径内的面形误差，提出了亚纳米量级的精度要求。因此，极紫外光刻物镜中的光学元件面形高精度检测是其中的关键问题。
计算全息图(CGH)基于光路衍射理论可生成任意形状的参考波前，能够补偿各种类型的像差，因此是解决高精度的非球面面形检测问题的核心器件。计算全息图可分为振幅型CGH与相位型CGH，相比之下，相位型CGH对光的相位进行调制，充分利用了各处光的能量，具有更高的衍射效率，更加满足超高精度的非球面物镜面型检测的需求。
传统的相位型CGH加工工艺主要采用电子束直写或激光直写技术。电子束直写方法制作精度较高，适于加工最小线宽小于0.5μm的器件，但刻写的速度较慢，对大面积CGH的制造提出了重大挑战。相比于电子束直写技术，激光直写具有成本低、写入速度快、操作简单、工作环境要求低等优点，具有更好的应用前景，但其受限于光学衍射极限，多用于微米量级特征尺寸的器件制作，这大大限制了计算全息图的精度进一步提高，从而影响了更高精度的非球面面形检测；同时，激光直写单点写入速度较慢，而用于极紫外光刻物镜面型检测的CGH尺寸在6寸以上，这导致其制作时间长达数天，无法大规模应用。
数字微镜器件(Digital Micromirror Devices，DMD)是一种电子输入、光学输出的微机电系统(optical micro-electrical-mechanical system(MEMS))，它由许多小型铝制反射镜面组成，每个镜面被称为一个像素。每个镜面能够绕每一个正方向小镜子(或者叫一个像素)的对角线偏转±12°，即DMD的微镜有三种状态+12°，0°，-12°。
DMD基于半导体制造技术，由高速数字式光反射开关阵列组成，通过控制微镜片绕固定(轭)的旋转和时域响应(决定光线的反射角度和停滞时间)来决定成像图形和其特性。它是一种新型、全数字化的平面显示器件，应用MEMS的工艺将反射微镜阵列和CMOS SRAM集成在同一块芯片上。
微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列。它和传统透镜一样，最小功能单元也可以是球面镜、非球面镜、柱镜、棱镜等，同样能在微光学角度实现聚焦、成像，光束变换等功能。因为单元尺寸小、集成度高，它能构成许多新型的光学系统，完成传统光学元件无法完成的功能。
DMD单个像素大小为10.8μm，常规使用DMD的激光直写方案中普遍将DMD与刻写平面共轭，制作最小线宽仅在微米量级，无法突破衍射极限。比如，文献(Chan K F,Feng Z,Yang R,et al.High-resolution maskless lithography[J].Journal of Micro/Nanolithography,MEMS,and MOEMS,Vol.2,Issue 4,October 2003)中使用DMD激光直写，制作最小线宽为1.5μm。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种大面积相位型计算全息图的制备系统和制备方法。基于数字微镜器件(DMD)和微透镜阵列(MLA)的高度均匀平行双光子光刻方法，该方法可以产生具有单独开关和强度调谐能力的一万个飞秒激光焦点，万束并行同时光刻，大大提高了直写光刻的刻写速度；采用边缘光抑制技术突破激光直写光刻系统的刻写分辨率，横向最小特征尺寸能达到50nm，配合12寸5自由度移动加工平台，解决了现有大面积相位型计算全息图的制造加工需求。
本发明首先提供了一种大面积相位型计算全息图的制备系统，包括用于引发光刻胶产生光聚合反应的光刻胶激发光路；用于抑制光刻胶产生光聚合反应的光刻胶抑制光路；以及光刻胶激发光路与光刻胶抑制光路的合束光路，
所述光刻胶激发光路包括沿光路依次布置的激发光激光器、二分之一波片、第一偏振分束镜、微镜阵列、第一透镜、第二透镜、微透镜阵列，
所述激发光激光器用于发出激发光，所述激发光经二分之一波片调制偏振方向并配合第一偏振分束镜来控制进入所述微镜阵列的激发光功率，所述第一透镜与第二透镜组成光学4f系统，使得微镜阵列表面与微透镜阵列表面互为共轭，
所述微镜阵列包括成阵列排列的多个可控角度的平面反射镜，所述微透镜阵列包括成阵列排列的多个微透镜，通过控制微透镜阵列中各微透镜来控制微镜阵列中对应平面反射镜，以实现激发光中各并行激光光束的独立功率调控。
优选的，所述光刻胶激发光路还包括设于所述第一偏振分束镜与微镜阵列之间、用于补偿光路产生的角色散的光栅；所述光栅与微镜阵列之间设有用于对激发光的光斑扩束的第一扩束器。
优选的，所述微镜阵列由80万～400万个可控角度的平面反射镜组成，
所述微透镜阵列中每个微透镜对应微镜阵列中的100～200个平面反射镜。
本发明中DMD调控频域中的光场，百余个DMD像素调控一个微透镜光束的光强，将微透镜焦平面与刻写平面共轭，同时辅以抑制光阵列对双光子激发做光抑制，大幅度提升刻写特征尺寸的同时保证了每个光束光强的独立调控。
优选的，所述光刻胶抑制光路包括沿光路依次布置的抑制光激光器、声光调制器、第二扩束器和空间光调制器，
所述抑制光激光器用于发出抑制光，所述声光调制器用于对抑制光进行功率调控，所述第二扩束器用于对抑制光的光斑扩束，所述空间光调制器用于对抑制光进行相位调制。
更优选的，所述光刻胶抑制光路还包括设于第二扩束器和空间光调制器之间的反射镜。
优选的，所述光刻胶激发光路还包括设于所述微透镜阵列下游的第三透镜；
所述合束光路包括沿光路依次布置的第二偏振分束器、第四透镜、第五透镜、第一分束器、二色分束器、显微物镜、刻写平台，
所述第三透镜与第四透镜组成一组4f系统，将微透镜阵列聚焦的激发光共扼至抑制光处，完成抑制光与激发光的合束聚焦形成合束光，合束光依次通过第五透镜、第一分束器、二色分束器后进入显微物镜，最终聚焦至刻写平台进行光刻。
刻写平台采用12寸气浮平台，具有x轴、y轴、z轴、x方向旋转、y方向旋转5个自由度，其中x轴、y轴实现刻写平面的移动扫描刻写，z轴实现实时的跟焦锁焦，x方向旋转、y方向旋转共同保证刻写平面与物镜z轴方向的垂直度，进而实现刻写制作大面积计算全息图。
更优选的，所述大面积相位型计算全息图的制备系统还包括用于对合束光进行成像的合束光成像光路，所述合束光成像光路包括第六透镜和第一照相机，合束光依次通过第五透镜、第一分束器、第六透镜后成像至所述第一照相机。
更优选的，所述大面积相位型计算全息图的制备系统还包括照明成像光路，所述照明成像光路包括照明光源、第二分束器、第七透镜、第二照相机，
照明光源发出的照明光经第二分束器的反射、所述二色分束器的透射进入显微物镜并照射在所述刻写平台上完成刻写平台的照明，然后照明光背反射回显微物镜，并依次经过所述二色分束器、第二分束器、第七透镜后成像至第二照相机。
本发明有提供了一种大面积相位型计算全息图的制备方法，包括以下步骤：
(1)在基底表面镀一层Cr或CrO2膜，然后在Cr或CrO2膜上涂覆光刻胶；
(2)使用所述大面积相位型计算全息图的制备系统将计算全息图的图案加工到光刻胶上；
(3)光刻胶按计算全息图设计图案曝光后，通过溶剂处理掉可溶性部分，将图案形成于光刻胶层；
(4)刻蚀去除掉未被光刻胶覆盖的Cr或CrO2膜，将基底表面露出；去除剩余的光刻胶，清洗并且干燥处理，得到振幅型计算全息图。
所述光刻胶采用能够满足双光子激发与单光子抑制的光刻胶。
激发光采用波长为515nm的飞秒脉冲激光，抑制光采用波长为532nm的皮秒脉冲激光，其中515nm的飞秒脉冲激光实现双光子吸收，532nm皮秒脉冲激光实现单光子吸收抑制。使用12寸5自由度气浮平台，能够实现100mm/s的等效刻写速度，横向最小特征尺寸能达到50nm。
优选的，本发明大面积相位型计算全息图设计采用光子筛形式，在结构上采用大量的微孔代替菲涅尔波带片的环带结构，与传统波带片相比，获得了比最外环小孔直径更小的光斑，突破了加工水平对分辨力的限制，并且可以压低次级大，减小聚焦光斑的旁瓣，检测精度更高，能够满足极紫外光刻物镜的高精度面型检测要求。
更优选的，本发明计算全息图设计图案由类似光子筛微孔排列的阵列计算全息单元组成，不同位置的单元大小不同，形状为圆柱形，最小直径达到50nm，本发明制备方法的激光直写方案通过共同改变激发光与抑制光的功率来改变有效刻写光束的大小，从而完成激发光的刻写尺寸控制，实现相位型CGH图案的精确刻写。
本发明大面积相位型计算全息图的制备方法通过设计搭建了一种大面积相位型计算全息图的制备系统，通过光刻胶激发光路中微镜阵列和微透镜阵列的设计使用，产生万束激光并行刻写，实现100mm/s的等效刻写速度，每个光束的横向最小特征尺寸达到50nm，能够实现刻写制造大面积相位型计算全息图。设计的大面积相位型计算全息图采用类光子筛结构，与传统波带片形式的计算全息图相比，能够大幅度提升面型检测的精确度，实现极紫外光刻物镜的高精度非球面面形检测。
附图说明
图1为本发明大面积相位型计算全息图的制备系统的光路结构示意图。
图2为本发明的类光子筛CGH示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种大面积相位型计算全息图的制备系统，用于极紫外光刻物镜面形检测的相位型计算全息图制备，本发明制备系统包括用于引发光刻胶产生光聚合反应的光刻胶激发光路；用于抑制光刻胶产生光聚合反应的光刻胶抑制光路；以及光刻胶激发光路与光刻胶抑制光路的合束光路。
光刻胶激发光路包括激发光激光器1，二分之一波片2，第一偏振分束器3，光栅4，第一扩束器5，微镜阵列6，第一透镜7，第二透镜8，微透镜阵列9，第三透镜10。
激发光激光器1使用飞秒激光器，飞秒激光器为钛蓝宝石飞秒激光器，用于提供激发光光源，波长为515nm，脉宽为150fs，最大输出功率为20W。
二分之一波片2用于将飞秒激光器出射的飞秒激光调制偏振方向，配合后续的第一偏振分束镜3，控制进入光学系统的激发光功率。
光栅4用于补偿光路产生的角色散。
第一扩束器5用于将光斑扩束，以配合后续微镜阵列6的有效孔径。
微镜阵列6又称数字微镜器件(DMD)，由80万～400万个可控角度的平面反射镜组成，可对照射在上面的光束进行像素开关调制。比如，可以使用由1200×1980个可控角度的平面反射镜组成的数字微镜器件，总共约230万个平面反射镜。若需要更高精度的光束光强独立控制，可选用2560×1600个像素排列的数字微镜器件，共约400万个平面反射镜。第一透镜7与第二透镜8组成光学4f系统，使得DMD面与微透镜阵列9的表面互为共轭。一个微透镜对应100～200个DMD像素(一个平面反射镜为一个像素)，比如一个微透镜对应100个、150个或200个DMD像素。通过控制每个透镜对应DMD像素的开与关，能够实现控制对应透镜聚焦的光束功率，从而实现所有并行激光光束的独立功率调控。
光刻胶抑制光路包括抑制光激光器12，声光调制器13，第二扩束器14，反射镜15，空间光调制器16。
合束光路包括第二偏振分束器11，第四透镜17，第五透镜18，第一分束器19，二色分束器20，显微物镜21，刻写平台22。
抑制光激光器12为皮秒激光器，皮秒激光器作为抑制光光源，提供波长为532nm，功率5w的皮秒脉冲激光。声光调制器13对激光进行功率调控，随后激光经过第二扩束器14完成扩束，经过反射镜15射入空间光调制器16，接受相位调制。空间光调制器16控制抑制光束的波前，使得其出射的抑制光束经过第二偏振分束器11、第四透镜17后形成抑制光斑阵列。
第三透镜10与第四透镜17组成一组4f系统，将微透镜阵列9聚焦的激光阵列共扼至抑制光斑阵列处，完成抑制光与激发光的合束聚焦。
合束后的光束依次经过第五透镜18、第一分束器19、二色分束器20后进入显微物镜21，最终聚焦至刻写平台22进行光刻。
显微物镜21采用60x物镜，用于将光束会聚于刻写平台，实现激光刻写。为了匹配物镜的设计，系统采用折射率为1.52的光刻胶，实现光胶浸没式(Dip-in)刻写，与传统油浸式物镜相比尽可能地避免了折射率不均带来的像差，且允许多种刻写基板。
刻写平台22采用12寸气浮平台，具有x轴、y轴、z轴、x方向旋转、y方向旋转5个自由度，其中x轴、y轴实现刻写平面的移动扫描刻写，z轴实现实时的跟焦锁焦，x方向旋转、y方向旋转共同保证刻写平面与物镜z轴方向的垂直度，进而实现刻写制作大面积计算全息图CGH。
本发明大面积相位型计算全息图的制备系统还包括用于对合束光进行成像的合束光成像光路，合束光成像光路包括第六透镜23和第一照相机24。第一照相机24通过第五透镜18、第一分束器19、第六透镜23对第四透镜17后的合束光斑成像，实现合束光斑质量与位置的监控，为共轭面装调、光斑对准提供基础。
本发明大面积相位型计算全息图的制备系统还包括照明成像光路，照明成像光路包括第二分束器25、照明光源26、第七透镜27、第二照相机28。
照明光源26为发光二极管，发光二极管采用波长589nm±10nm，发光二极管发射出照明光，照明光经过第二分束器25的反射、二色分束器20的透射进入显微物镜21，完成刻写平台22的照明。随后照明光被反射回显微物镜21，依次经过二色分束器20、第二分束器25、第七透镜27成像至照相机28，实现刻写的实时监控。
通过本发明大面积相位型计算全息图的制备系统可以实现大面积相位型计算全息图的刻写，其主要步骤为在基底表面镀一层Cr或者CrO2膜(膜层厚度为80nm)，然后在膜层上涂覆光刻胶。用万束脉冲激光超分辨直写光刻系统将CGH图案加工到光刻胶上。光刻胶按CGH设计图案曝光后，通过溶剂处理掉可溶性部分，将图案形成于光刻胶层。用刻蚀设备刻蚀去除掉未被光刻胶覆盖的Cr或者CrO2，将基底表面露出。去除剩余的光刻胶，清洗并且干燥处理，得到振幅型CGH，其上部分区域仍存在Cr或CrO2膜。再次用刻蚀设备对暴露在外的基板刻蚀出一定深度的台阶，控制刻蚀深度至设计深度，达到衍射效率要求。清洗去除剩余残留的Cr或CrO2，露出所有基底表面。对基底干燥处理，得到相位型CGH。
基底采用熔石英，涂胶前进行预处理，保证基底的面形精度达到要求。
光刻胶采用能够满足双光子激发与单光子抑制的特制光刻胶。
本发明大面积相位型计算全息图设计采用光子筛形式，如图2，在结构上采用大量的微孔代替菲涅尔波带片的环带结构，与传统波带片相比，在相同最小加工特征尺寸的工艺下，能够获得比最外环小孔直径更小的光斑，突破了加工水平对分辨力的限制，并且可以压低次级大，减小聚焦光斑的旁瓣，检测精度更高，能够满足极紫外光刻物镜的高精度面型检测要求。
相位型CGH设计图案由类似光子筛微孔排列的阵列计算全息单元组成，不同位置的单元大小不同，形状为圆柱形，最小直径达到50nm，本方法的激光直写方案通过共同改变激发光与抑制光的功率来改变有效刻写光束的大小，从而完成激发光的刻写尺寸控制，与常规扫描刻写方案相比避免了扫描路径带来的多边形圆柱，实现相位型CGH图案的精确刻写。
Claims (10)
1.一种大面积相位型计算全息图的制备系统，包括用于引发光刻胶产生光聚合反应的光刻胶激发光路；用于抑制光刻胶产生光聚合反应的光刻胶抑制光路；以及光刻胶激发光路与光刻胶抑制光路的合束光路，其特征在于，
所述光刻胶激发光路包括沿光路依次布置的激发光激光器、二分之一波片、第一偏振分束镜、微镜阵列、第一透镜、第二透镜、微透镜阵列，
所述激发光激光器用于发出激发光，所述激发光经二分之一波片调制偏振方向并配合第一偏振分束镜来控制进入所述微镜阵列的激发光功率，所述第一透镜与第二透镜组成光学4f系统，使得微镜阵列表面与微透镜阵列表面互为共轭，
所述微镜阵列包括成阵列排列的多个可控角度的平面反射镜，所述微透镜阵列包括成阵列排列的多个微透镜，通过控制微透镜阵列中各微透镜来控制微镜阵列中对应平面反射镜，以实现激发光中各并行激光光束的独立功率调控。
2.根据权利要求1所述大面积相位型计算全息图的制备系统，其特征在于，所述光刻胶激发光路还包括设于所述第一偏振分束镜与微镜阵列之间、用于补偿光路产生的角色散的光栅；所述光栅与微镜阵列之间设有用于对激发光的光斑扩束的第一扩束器。
3.根据权利要求1所述大面积相位型计算全息图的制备系统，其特征在于，所述微镜阵列由80万～400万个可控角度的平面反射镜组成，
所述微透镜阵列中每个微透镜对应微镜阵列中的100～200个平面反射镜。
4.根据权利要求1所述大面积相位型计算全息图的制备系统，其特征在于，所述光刻胶抑制光路包括沿光路依次布置的抑制光激光器、声光调制器、第二扩束器和空间光调制器，
所述抑制光激光器用于发出抑制光，所述声光调制器用于对抑制光进行功率调控，所述第二扩束器用于对抑制光的光斑扩束，所述空间光调制器用于对抑制光进行相位调制。
5.根据权利要求4所述大面积相位型计算全息图的制备系统，其特征在于，所述光刻胶抑制光路还包括设于第二扩束器和空间光调制器之间的反射镜。
6.根据权利要求1所述大面积相位型计算全息图的制备系统，其特征在于，所述光刻胶激发光路还包括设于所述微透镜阵列下游的第三透镜；
所述合束光路包括沿光路依次布置的第二偏振分束器、第四透镜、第五透镜、第一分束器、二色分束器、显微物镜、刻写平台，
所述第三透镜与第四透镜组成一组4f系统，将微透镜阵列聚焦的激发光共扼至抑制光处，完成抑制光与激发光的合束聚焦形成合束光，合束光依次通过第五透镜、第一分束器、二色分束器后进入显微物镜，最终聚焦至刻写平台进行光刻。
7.根据权利要求6所述大面积相位型计算全息图的制备系统，其特征在于，还包括用于对合束光进行成像的合束光成像光路，所述合束光成像光路包括第六透镜和第一照相机，合束光依次通过第五透镜、第一分束器、第六透镜后成像至所述第一照相机。
8.根据权利要求6所述大面积相位型计算全息图的制备系统，其特征在于，还包括照明成像光路，所述照明成像光路包括照明光源、第二分束器、第七透镜、第二照相机，
照明光源发出的照明光经第二分束器的反射、所述二色分束器的透射进入显微物镜并照射在所述刻写平台上完成刻写平台的照明，然后照明光背反射回显微物镜，并依次经过所述二色分束器、第二分束器、第七透镜后成像至第二照相机。
9.一种大面积相位型计算全息图的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在基底表面镀一层Cr或CrO2膜，然后在Cr或CrO2膜上涂覆光刻胶；
(2)使用权利要求1～8任一所述大面积相位型计算全息图的制备系统将计算全息图的图案加工到光刻胶上；
(3)光刻胶按计算全息图设计图案曝光后，通过溶剂处理掉可溶性部分，将图案形成于光刻胶层；
(4)刻蚀去除掉未被光刻胶覆盖的Cr或CrO2膜，将基底表面露出；去除剩余的光刻胶，清洗并且干燥处理，得到振幅型计算全息图。
10.根据权利要求9所述大面积相位型计算全息图的制备方法，其特征在于，所述光刻胶采用能够满足双光子激发与单光子抑制的光刻胶。
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