CN205608390U - 数字微镜设备与多面棱镜结合的多光束干涉光刻系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数字微镜设备与多面棱镜结合的多光束干涉光刻系统，包括：448nm激光器、起偏器、空间滤波器、反射镜1、DMD、扩束装置、反射镜2、多面棱镜与样品台；其中：448nm激光器出射的激光依次经过起偏器、空间滤波器与反射镜1后射入数字微镜设备DMD，从DMD出射光变成为与加载在DMD上的图案一样形状的平行光，并射入扩束装置；该扩束装置使光束尺寸与多面棱镜侧面尺寸匹配，再经反射镜2入射到多面棱镜侧面，每一入射光经过多面棱镜的偏折后出射，通过上下移动样品台使从多面棱镜出射的多路光线干涉叠加在光刻胶上。本实用新型方案实现了多光束干涉光刻光路的简化，无需使用大量分束器和反射镜；并且，所刻写结构的尺寸远小于DMD直写光刻结构尺寸。

Description

数字微镜设备与多面棱镜结合的多光束干涉光刻系统

技术领域

本实用新型涉及多光束干涉光刻技术领域，尤其涉及一种数字微镜设备与多面棱镜结合的多光束干涉光刻系统。

背景技术

微纳加工工艺和技术是微电子学、集成光电子学、微纳光子学研究及相关器件制作的基础。电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀等方法是加工亚波长纳米结构的常用方法，但是其加工成本高、效率低，很难满足于大面积微纳结构加工的需求。光学刻写方法虽然加工精细度受光学衍射极限的限制，但是具有成本低、效率高的优点，可大面积制备一维、二维的微纳结构，在面向光谱探测、生物传感、光伏器件以及基因芯片等应用的微纳器件制备方面具有不可替代的重要价值。

实现光学刻写的方法有：掩膜光刻、多光束干涉光刻、基于光场调控器件的刻写(如空间光调制器SLM、数字微反射镜设备DMD)。其中，掩膜光刻需要提前利用电子束刻蚀、聚焦等离子束刻蚀等方法制备掩膜，掩膜制作成本高，且一旦掩膜制备完成后只能刻写固定的结构，适用于大批量重复微纳结构的制备；传统的多光束干涉光刻，多采用多个分束镜进行分束，这样既要考虑激光的相干长度，又要考虑各束光的强度以保证干涉条纹的对比度，光路复杂、调整难度大，且易受外界干扰。

SLM和DMD进行的直写光刻会更加直观，可以直接调制入射光场，使得出射的光场就是我们所需要的光场分布，这种刻写方式可以灵活地改变刻写图案，是一种非常有效的亚波长微纳结构的加工方法。2006年四川大学GuoXiaowei等人利用DMD的灰度特性进行了光刻制作了衍射光栅，其刻写结构尺寸在微米量级；2009年苏州大学，李建晓等人曾利用DMD进行激光直写的方法刻写出导光板模版，其刻写图案尺寸较大，在百微米量级。可见，由于微型反射镜之间的间隙衍射等原因的影响，其分辨率难以提高。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种数字微镜设备与多面棱镜结合的多光束干涉光刻系统，实现该方法的光路结构简单，并可实现小尺寸结构的刻写。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种数字微镜设备与多面棱镜结合的多光束干涉光刻系统，包括：

448nm激光器、起偏器、空间滤波器、反射镜1、数字微镜设备DMD、扩束装置、反射镜2、多面棱镜与样品台；其中：

所述448nm激光器出射的激光依次经过起偏器、空间滤波器与反射镜1后射入数字微镜设备DMD，从DMD出射光变成为与加载在DMD上的图案一样形状的平行光，并射入扩束装置；

该扩束装置使光束尺寸与多面棱镜侧面尺寸匹配，再经由反射镜2入射到多面棱镜侧面，且每一入射光经过多面棱镜的偏折后出射，通过上下移动样品台使从多面棱镜出射的多路光线干涉叠加在光刻胶上。

进一步的，所述多面棱镜为六面棱镜。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，利用DMD更加灵活的光场调控性能，使之与所设计的多面棱镜匹配，以实现多光束干涉光刻光路的简化和优化；相比于传统的DMD直写技术分辨率不高和多光束干涉光刻光路复杂的缺点，本实用新型的方案实现了多光束干涉光刻光路的简化，无需使用大量分束器和反射镜；同时，所刻写结构的特征尺寸远小于DMD直写光刻结构的特征尺寸。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种数字微镜设备与多面棱镜结合的多光束干涉光刻系统示意图；

图2为本实用新型实施例提供的六面棱镜结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的光束经六面棱镜发射干涉的示意图；

图4为本实用新型实施例提供的DMD上的图案形状示意图；

图5为本实用新型实施例提供的实际光刻结构的SEM图案示意图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型的保护范围。

图1为本实用新型实施例提供的一种数字微镜设备与多面棱镜结合的多光束干涉光刻系统示意图，图1中，1-448nm激光器，2-起偏器，3-空间滤波器，4-反射镜1，5-DMD，6-扩束装置，7-反射镜2，8-多面棱镜，9样品台。

所述448nm激光器出射的激光依次经过起偏器、空间滤波器与反射镜1后射入数字微镜设备DMD，从DMD出射光变成为与加载在DMD上的图案一样形状的平行光，并射入扩束装置；该扩束装置使光束尺寸与多面棱镜侧面尺寸匹配，再经由反射镜2入射到多面棱镜侧面，且每一入射光经过多面棱镜的偏折后出射，通过上下移动样品台使从多面棱镜出射的多路光线干涉叠加在光刻胶上。

本实用新型实施例中，所述DMD上的图案以及多面棱镜侧面数目、底角大小，可以根据需求来设定，从而实现多样的多光束干涉光刻。

举例来说，所述多面棱镜可以为六面棱镜，该六面棱镜结构如图2所示，其尺寸可以设定为：I＝4.51mm，L＝7.30mm，α＝70.00°。

本实用新型实施例中，利用扩束装置使光束尺寸与多面棱镜侧面尺寸匹配，是光束均从棱镜侧面入射，实现光束的完美入射，避免有杂散光经过棱镜底面进入干涉区域。如图3所示，光束从棱镜的侧面入射后经过棱镜的折射再出射后发生干涉，黑色区域为干涉区域

本实用新型实施例中，所述DMD上的图案可以根据需求设定；举例来说，可设为如图4a-图4b所示的形状。则每一条亮纹照在六棱镜的一个对应侧面上，经过棱镜的折射在棱镜上方进行干涉光刻。

本系统的工作原理如下：

利用448nm激光器出射激光，其出射的激光经过起偏器变成线偏振光，并经过一空间滤波器进行滤波后成为线偏振的平行光，再经过反射镜1反射至数字微镜设备DMD，从DMD出射光变成为与加载在DMD上的图案一样形状的平行光，并射入扩束装置；

该扩束装置使光束尺寸与多面棱镜侧面尺寸匹配，再通过反射镜2入射到多面棱镜侧面，且每一入射光经过多面棱镜的偏折后出射，通过上下移动样品台使从多面棱镜出射的多路光线干涉叠加在光刻胶上，实现多光束干涉光刻。

本实用新型实施例中，上述系统光路搭建中注意要点如下：

首先，根据棱镜尺寸估算DMD上加载图案的尺寸是十分必要的，并通过调整加载图案大小和扩束系统来实现入射到棱镜上的光全部经由其侧面进行折射，而没有杂散光通过棱镜底部到达样品的，这是干涉刻写成功的必要条件。其次，光路的调整，光路的水平和铅锤对于刻写也是很必要的条件，因为这保证了刻写图案的优良品质并且十分便于实验结果的分析。通过调节反射镜1和DMD来保证从DMD出射的光线为水平的，然后在样品台和六棱镜支架上分别放置水平仪，调整至水平后，在样品台上放置一个反射镜，通过调节反射镜2使得从样品台上反射镜反射的光能与从DMD来的入射光完全重合，这样就保证了入射六棱镜的光是铅锤方向了。最后，通过上下移动样品台使从棱镜出射的几路光线干涉叠加在光刻胶上。

基于本实用新型实施例所提供的上述系统结构，再结合常规的方法即可完成光刻。

光刻过程如下：

本实用新型实施例中，采用光刻胶为正性光刻胶，光源为448nm激光。

第一步：清洗玻璃基底。将玻璃基底先后在丙酮，乙醇，去离子水中超声清洗30min，然后在浓硫酸:双氧水＝4:1的混合溶液中超声清洗60min，最后再次在去离子水中超声清洗30min。

第二步：光刻胶成膜。将光刻胶滴在清洗干净的玻璃基底上，采用旋转式匀胶机甩膜的方式将光刻胶均匀附着在玻璃基底上，在100℃的恒温称上加热2min，达到坚膜的效果。

第三步：刻写和显影过程。首先根据光刻胶曝光阈值计算曝光时间。本次实施例中，采用80mJ/cm²的曝光剂量，干涉图案面积0.1256cm²，曝光时间为12.34s。将样品放置在样品台上，在已经调整好的图1所示的光路中加入电子快门，设定好曝光时间，进行刻写。曝光过程中尽量减小光学试验平台的震动；不要在刻写过程中走动，以避免空气流动导致干涉光线抖动。曝光过的样品在显影液中显影15秒，此操作需要在暗室进行，并保证20℃恒温。刻写显影过程结束。

另一方面，还基于本实用新型实施例所提供的方案与理论计算进行了对比实验。

此次实验中，DMD加载了如图4a-图4b所示的形状，对应这两种设计图案，实际光刻结构的SEM图案，如图5a-图5b。

通过SEM图案中可知，刻写结构尺寸在300nm左右；由此可见，其刻写尺寸远小于DMD直写刻写尺寸。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种数字微镜设备与多面棱镜结合的多光束干涉光刻系统，其特征在于，包括：

448nm激光器、起偏器、空间滤波器、反射镜1、数字微镜设备DMD、扩束装置、反射镜2、多面棱镜与样品台；其中：

所述448nm激光器出射的激光依次经过起偏器、空间滤波器与反射镜1后射入数字微镜设备DMD，从DMD出射光变成为与加载在DMD上的图案一样形状的平行光，并射入扩束装置；

该扩束装置使光束尺寸与多面棱镜侧面尺寸匹配，再经由反射镜2入射到多面棱镜侧面，且每一入射光经过多面棱镜的偏折后出射，通过上下移动样品台使从多面棱镜出射的多路光线干涉叠加在光刻胶上。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多面棱镜为六面棱镜。