CN218332292U - 一种激光干涉光刻系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于光学技术领域，提出了一种激光干涉光刻系统，激光器发出的光依次通过45º全反镜、立方分束棱镜，被立方分束棱镜分为反射光与透射光；反射光路上为衰减片、第一反射镜、第一扩束镜、第一准直透镜、第一剪板式准直仪、第一角度微调楔角镜、第一相位补偿楔角镜；透射光路中为第二反射镜、第二扩束镜、第二准直透镜、第二剪板式准直仪、第二角度微调楔角镜、第二相位补偿楔角镜。本申请激光干涉光刻系统可调整性强、曝光面积大，可一次曝光出大口径的硅基片，最终硅透镜的尺寸最小可达到几百纳米，单次曝光可制作的硅透镜数量多，成本大幅降低，工程实用性强。

Description

一种激光干涉光刻系统

技术领域

本申请属于光学技术领域，具体涉及激光干涉光刻系统。

背景技术

硅单晶是一种化学惰性材料，硬度高、不溶于水，通常用作3-5

中红外光学窗口和滤光片的基片，超纯硅对1-7

红外光的透过率高达90%-95%，这是其他红外材料所不具备的特点，因此可以用来制作红外聚焦硅透镜。且硅的折射率比一般玻璃要高，在红外波段的折射率为3.5左右，硅透镜的折射率大、尺寸小、球心距精度高，在光模块厂商100G-800G产品中得到了大批量应用。硅透镜的常见制作方式有：机械加工及磨削、湿法刻蚀、纳米压印、紫外光刻等。

利用机械加工及磨削方式制作硅透镜，由于常温下硅基片脆性高，容易弯曲，对于机械设备以及夹具的要求极高，加工较困难，且其加工的硅透镜尺寸较大，通常达到几十或几百微米，而对于尺寸更小的硅透镜，该方案不再适用。采用化学湿法刻蚀方案只能制作凹型球硅透镜，对于凸型球透镜无能为力，且湿法刻蚀需大量使用化学溶剂，并不环保。纳米压印方式使用预先制备的纳米压印模具将所需形状尺寸的透镜结构图形复制到所述压印胶上，在硅衬底上形成与所述透镜结构图形相对应的三维聚合物结构，对于不同尺寸的透镜，需要加工不同尺寸的压印模具，可调整性较弱。紫外光刻是利用光刻机将微结构图案写入光刻胶表面，但单次加工的硅基片面积会受到光刻机尺寸的限制。

实用新型内容

为克服背景技术中指出的技术问题，技术方案如下：

一种激光干涉光刻系统，包括：激光器、45º全反镜、立方分束棱镜、衰减片、第一扩束镜、第二扩束镜、第一反射镜、第二反射镜、第一准直透镜、第二准直透镜、第一剪板式准直仪、第二剪板式准直仪、基片夹持框、电动转台、第一角度微调楔角镜、第一相位补偿楔角镜、第二角度微调楔角镜、第二相位补偿楔角镜；

激光器发出的光依次通过45º全反镜、立方分束棱镜，被立方分束棱镜分为反射光与透射光；

在沿着反射光的光路上依次设置为衰减片、第一反射镜、第一扩束镜、第一准直透镜、第一剪板式准直仪、第一角度微调楔角镜、第一相位补偿楔角镜，反射光透过衰减片后被第一反射镜折转至第一扩束镜，透过第一扩束镜的光变为第一发散球面波，第一发散球面波经过第一准直透镜后被整形为第一相干平行光，第一剪板式准直仪插入第一相干平行光部分光路中，其余第一相干平行光依次透过第一角度微调楔角镜、第一相位补偿楔角镜后入射至安装于电动转台上的基片夹持框处；

在沿着透射光的光路中依次设置为第二反射镜、第二扩束镜、第二准直透镜、第二剪板式准直仪、第二角度微调楔角镜、第二相位补偿楔角镜，透射光被第二反射镜折转至第二扩束镜，透过第二扩束镜的光变为第二发散球面波，第二发散球面波经过第二准直透镜后被整形为第二相干平行光，第二剪板式准直仪插入第二相干平行光部分光路中，其余第二相干平行光依次透过第二角度微调楔角镜、第二相位补偿楔角镜后入射至安装于电动转台上的基片夹持框处。

进一步地：激光器与45º全反镜之间的光路上设置准直平顶光束变换器；激光器发出的光通过准直平顶光束变换器后变换为准直的平顶光束、然后该平顶光束入射至45º全反镜。准直平顶光束变换器够把光源发出的非均匀高斯光束变换为平顶光束，提高了曝光区域内光能量分布均匀性，克服了传统高斯光束曝光中心亮边缘暗的缺陷。

进一步地：所述第一扩束镜、第二扩束镜均由显微物镜与针孔滤波器组成，针孔放置在显微物镜的焦点位置处。针孔的孔径是微米级，能有效地消除各种杂散光。

进一步地：第一准直透镜与第二准直透镜均为非球面透镜。非球面透镜可以进一步消除像差，提高光路准直性能。

进一步地：第一剪板式准直仪与第二剪板式准直仪均由一块楔板及光屏组成。部分第一（第二）相干平行光入射至第一（第二）剪板式准直仪后，由于楔板的前后表面之间存在一微小楔角，在光屏上能得到楔板前后表面的楔板干涉条纹，通过观察楔板干涉条纹的特征可判断第一（第二）相干平行光的准直性特性。

进一步地：第一扩束镜与第二扩束镜分别安装在第一压电陶瓷位移调整台、第二压电陶瓷位移调整台上。若判断第一（第二）相干平行光准直性失常，通过微调第一（第二）第一压电陶瓷位移调整台来进行准直调节。

第一相干平行光与第二相干平行光在基片夹持框处互相干涉，使用时将基片固定于基片夹持框，就可在基片表面的光场中形成平行等间距的干涉条纹，干涉条纹的间距通过第一角度微调楔角镜与第二角度微调楔角镜进行微调，同时利用第一相位补偿楔角镜与第二相位补偿楔角镜获得等相位面光场分布。

第一相干平行光与第二相干平行光满足光栅方程，

，其中d为干涉条纹的周期，

为激光器的波长，

为第一相干平行光与第二相干平行光夹角的一半。故通过调节第一相干平行光与第二相干平行光的入射角度，可方便地调节干涉条纹的周期与占空比。

通过调节透射光路上的衰减片可改变其中一束激光的功率，使得最终发生干涉的两束光强度保持一致，来提高干涉条纹的对比度。

进一步地：基片夹持框内设有三个定位点，三个定位点端面共面。基片放置在由电动转台驱动的基片夹持框内，三点确定一个面，则基片位置可准确定位，保持干涉光场不变，通过电动转台使基片夹持框顺时针旋转90°，则基片也旋转了90°。电动转台精度高，角度公差可达到秒量级。基片旋转且静台后，再次对基片曝光，两次曝光时间相同。通过两次曝光，可在基片表面形成互相垂直的等间距的干涉条纹，即二维光栅结构，其理想的光刻胶掩膜形貌为柱形。

优点和效果：

上述方案的一种激光干涉光刻系统结构简单、可调整性强、条纹分辨率高，产生的干涉条纹图形对比度好，工程实用性强。激光干涉光刻系统的曝光面积大、均匀性好，突破了紫外光刻机与激光直写设备的加工尺寸限制，大幅度提升硅透镜阵列的加工面积，提高加工效率，大幅缩减了制作成本。

附图说明

图1：一种硅透镜阵列全息曝光系统结构示意图；

图2：准直平顶光束变换器结构图示意图；

图3：六边形梯度折射率透镜阵列结构与横截面折射率分布示意图；

图4：柱形光刻胶掩膜局部图；

图5: 球形光刻胶掩膜局部图；

其中： 1：激光器，2：45º全反镜，3：分束立方棱镜，4：衰减片，5：第一反射镜，6：第二反射镜，7：第一扩束镜，8：第二扩束镜，9：第一准直透镜，10：第二准直透镜，11：第一楔板，12：第二楔板，13：基片夹持框，14：电动转台，15：第一角度微调楔角镜，16：第一相位补偿楔角镜，17：第二角度微调楔角镜，18：第二相位补偿楔角镜，19：第一光屏，20：第二光屏，21：准直平顶光束变换器，22：扩束透镜组，23：六边形梯度折射率透镜阵列，24：非球面聚焦透镜，25：六边形梯度折射率光纤传像光束，26：准直元件。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本申请做进一步描述：

实施例一

一种激光干涉光刻系统，如图1所示，包括：激光器1、准直平顶光束变换器21、45º全反镜2、立方分束棱镜3、衰减片4、第一扩束镜5、第二扩束镜6、第一反射镜7、第二反射镜8、第一准直透镜9、第二准直透镜10、第一剪板式准直仪、第二剪板式准直仪、基片夹持框13、电动转台14、第一角度微调楔角镜15、第一相位补偿楔角镜16、第二角度微调楔角镜17、第二相位补偿楔角镜18；

第一剪板式准直仪由第一楔板11及第一光屏19组成，第二剪板式准直仪由第二楔板12及第二光屏20组成；部分第一（第二）相干平行光入射至第一（第二）剪板式准直仪后，由于楔板的前后表面之间存在一微小楔角，在光屏上能得到楔板前后表面的楔板干涉条纹，通过观察楔板干涉条纹的特征可判断第一（第二）相干平行光的准直性特性；

激光器1发出的光先通过准直平顶光束变换器21变换为准直的平顶光束、然后该平顶光束依次通过45º全反镜2、立方分束棱镜3，被立方分束棱镜分为反射光与透射光；

在沿着反射光的光路上依次设置为衰减片4、第一反射镜5、第一扩束镜7、第一准直透镜9、第一剪板式准直仪、第一角度微调楔角镜15、第一相位补偿楔角镜16，反射光透过衰减片后被第一反射镜折转至第一扩束镜，透过第一扩束镜的光变为第一发散球面波，第一发散球面波经过第一准直透镜后被整形为第一相干平行光，第一剪板式准直仪插入第一相干平行光部分光路中，其余第一相干平行光依次透过第一角度微调楔角镜、第一相位补偿楔角镜后入射至安装于电动转台15上的基片夹持框13处；

在沿着透射光的光路中依次设置为第二反射镜6、第二扩束镜8、第二准直透镜10、第二剪板式准直仪、第二角度微调楔角镜17、第二相位补偿楔角镜18，透射光被第二反射镜折转至第二扩束镜，透过第二扩束镜的光变为第二发散球面波，第二发散球面波经过第二准直透镜后被整形为第二相干平行光，第二剪板式准直仪插入第二相干平行光部分光路中，其余第二相干平行光依次透过第二角度微调楔角镜、第二相位补偿楔角镜后入射至安装于电动转台15上的基片夹持框13处。

激光干涉光刻系统在使用时，将涂敷好光刻胶的基片放置在基片夹持框中，调整该激光干涉光刻系统产生明暗相间的直条纹，通过一次曝光以及基片转动90°后的二次曝光，可在基片上形成二维光栅掩膜，即互相垂直的干涉条纹。在两次曝光重叠的区域，由于曝光剂量多，同时光刻胶使用的是正胶，被曝光区域的光刻胶发生光敏反应，经过后续的显影，两次曝光重叠区域以及单次曝光区域的光刻胶掩膜都会消失；而未曝光区域的光刻胶不受影响，最终基片表面的光刻胶会形成柱形光刻胶掩膜结构。

实施例二

实施例一基础上的一种激光干涉光刻系统，所述的准直平顶光束变换器在光路上沿着光轴正方向依次设置为：如图2所示，扩束透镜组22、六边形梯度折射率透镜阵列23、非球面聚焦透镜24、六边形梯度折射率光纤传光束25、准直元件26；将激光器发射激光束通过扩束透镜组22进行扩束准直，经扩束准直的光经由六边形梯度折射率透镜阵列对光场的光束进行波面分割，分割后的各个子波面再次准直通过非球面聚焦透镜24聚焦，六边形梯度折射率透镜阵列中各子透镜的子波面聚焦到非球面聚焦透镜的焦平面，此时光束已完成匀化；匀化后的光束输入到六边形梯度折射率光纤传像光束，非球面聚焦透镜聚集的光束均匀分布到六边形梯度折射率光纤传像光束的子光纤中进行传输，从子光纤中输出后通过准直元件准直合束成平顶光束。

六边形梯度折射率透镜阵列结构与横截面折射率分布如图3所示；六边形梯度折射率透镜阵列由六边形玻璃丝密集排列呈六边形并熔压、拉丝而成，每根六边形玻璃丝单芯直径3至5微米，六边形梯度折射率透镜阵列直径1-5毫米，每根六边形玻璃丝折射率分布都是中心到边缘逐渐变低的分布。

使用本申请所述的一种激光干涉光刻系统用于硅透镜阵列制备，步骤包括将涂敷好光刻胶的硅基片放置在基片夹持框中，调整该激光干涉光刻系统产生明暗相间的直条纹，静台完成后进行第一次曝光，第一次曝光结束后，电动转台带动基片夹持框旋转90°，再次静台后进行第二次曝光，两次曝光时间保持相同，曝光剂量也相同，第二次曝光完成后，取下硅基片；对整块硅基片进行显影、清洗、烘干后得到柱形光刻胶掩膜结构，宽度为d，高度为h，相邻距离为L，柱形掩膜宽度、相邻距离和干涉条纹的宽度、占空比有关，掩膜高度与涂胶厚度、曝光以及显影剂量有关；

再经过热熔工艺，光刻胶受热熔化，顶部光刻胶向两侧转移，柱形光刻胶掩膜会变为特定尺寸的球冠状掩膜，最终经离子束刻蚀将球冠状掩膜向硅基片上转移，完成大面积硅透镜阵列的制作。

形成如图4所示的柱形光刻胶掩膜后的硅基片再经过后续的热熔、刻蚀等工序可以制成大口径的硅透镜阵列。通过热熔后，柱形光刻胶掩膜受热熔化，顶部光刻胶受重力影响逐渐向两侧坍塌，柱形光刻胶掩膜由于液体张力作用慢慢变为球形，改变热熔的温度与时间控制球形形貌，此时球形光刻胶掩膜如图5所示，通过热熔工艺控制球面的尺寸及曲率半径。最后，经过气体物理刻蚀，将光刻胶掩膜形貌转移到硅基底上，清洗烘干残余的光刻胶后得到大尺寸硅透镜阵列。若想要得到单个的硅透镜，可通过切割方式获取。

使用本申请所述的一种激光干涉光刻系统用于二维光栅掩膜制备方法，步骤为：首先，在光学平台上搭建本申请的一种激光干涉光刻系统，在大口径的硅基片上涂敷一层增粘剂(HDMS)，使得硅基片表面由亲水性变成疏水性，可增加后续光刻胶与硅基片表面的附着力；利用旋涂机在硅基片表面涂敷一层光刻胶，通过改变光刻胶剂量、黏度以及旋涂机的转速与时间从而改变光刻胶涂层厚度，光刻胶的厚度影响后续硅透镜的尺寸；利用光刻胶的光敏性，可以在硅基片表面光刻出所需的图形；

基片夹持框中有三个定位点，硅基片放置在夹持框中能准确定位以及平稳固定；基片夹持框放置在电动转台上，夹持框的中心与电动转台的轴心重合，电动转台可以带动基片夹持框以及硅基片绕其中心旋转任意的角度，将硅基片夹持框放在激光干涉光刻光学系统中，该光刻系统能产生平行等间距的干涉条纹；激光干涉光刻系统对于曝光平台的稳定性要求高，故需要足够长的静台时间；通过一次曝光以及基片转动90°后的二次曝光，在光刻胶掩膜上形成二维光。

本申请针对现有加工方案中的不足，利用激光干涉光刻系统，将微结构图形分批依次写入光刻胶中，再通过后续的显影、热熔、刻蚀工艺加工出大口径的硅透镜阵列，激光干涉光刻系统可调整性强，其曝光面积大，可一次曝光出大口径的硅基片，同时，微结构图形尺寸很小，最终硅透镜的尺寸最小可达到几百纳米，单次曝光可制作的硅透镜数量多，成本大幅降低，工程实用性强。

此外为制作大口径的硅透镜阵列，采用全息曝光的方式，利用激光干涉光刻系统，通过角度微调楔角镜和相位补偿楔角镜调节全息光路中光束的相对位置改变干涉条纹的间距与占空比；先调整二维光栅的尺寸，再通过后续显影与热熔工艺，能有效调节最终硅透镜的曲率半径与高度，实现硅透镜的具体尺寸与焦距定制。

大口径的硅透镜阵列通过涂胶、全息光刻、显影、热熔、刻蚀等步骤制作，工艺流程简明，工艺技术成熟，工程实用性更强。通过该方案单次制作的硅透镜阵列面积大，硅透镜数量多，大幅提高加工效率，缩减加工成本。

Claims (8)

1.一种激光干涉光刻系统，其特征在于：包括：激光器、45º全反镜、立方分束棱镜、衰减片、第一扩束镜、第二扩束镜、第一反射镜、第二反射镜、第一准直透镜、第二准直透镜、第一剪板式准直仪、第二剪板式准直仪、基片夹持框、电动转台、第一角度微调楔角镜、第一相位补偿楔角镜、第二角度微调楔角镜、第二相位补偿楔角镜；

激光器发出的光依次通过45º全反镜、立方分束棱镜，被立方分束棱镜分为反射光与透射光；

在沿着反射光的光路上依次设置为衰减片、第一反射镜、第一扩束镜、第一准直透镜、第一剪板式准直仪、第一角度微调楔角镜、第一相位补偿楔角镜，反射光透过衰减片后被第一反射镜折转至第一扩束镜，透过第一扩束镜的光变为第一发散球面波，第一发散球面波经过第一准直透镜后被整形为第一相干平行光，第一剪板式准直仪插入第一相干平行光部分光路中，其余第一相干平行光依次透过第一角度微调楔角镜、第一相位补偿楔角镜后入射至安装于电动转台上的基片夹持框处；

在沿着透射光的光路中依次设置为第二反射镜、第二扩束镜、第二准直透镜、第二剪板式准直仪、第二角度微调楔角镜、第二相位补偿楔角镜，透射光被第二反射镜折转至第二扩束镜，透过第二扩束镜的光变为第二发散球面波，第二发散球面波经过第二准直透镜后被整形为第二相干平行光，第二剪板式准直仪插入第二相干平行光部分光路中，其余第二相干平行光依次透过第二角度微调楔角镜、第二相位补偿楔角镜后入射至安装于电动转台上的基片夹持框处。

2.根据权利要求1所述的一种激光干涉光刻系统，其特征在于：激光器与45º全反镜之间的光路上设置准直平顶光束变换器；激光器发出的光通过准直平顶光束变换器后变换为准直的平顶光束、然后该平顶光束入射至45º全反镜。

3.根据权利要求1所述的一种激光干涉光刻系统，其特征在于：所述第一扩束镜、第二扩束镜均由显微物镜与针孔滤波器组成，针孔放置在显微物镜的焦点位置处。

4.根据权利要求1所述的一种激光干涉光刻系统，其特征在于：第一准直透镜与第二准直透镜均为非球面透镜。

5.根据权利要求1所述的一种激光干涉光刻系统，其特征在于：第一剪板式准直仪与第二剪板式准直仪均由一块楔板及光屏组成。

6.根据权利要求1所述的一种激光干涉光刻系统，其特征在于：第一扩束镜与第二扩束镜分别安装在第一压电陶瓷位移调整台、第二压电陶瓷位移调整台上。

7.根据权利要求1所述的一种激光干涉光刻系统，其特征在于：第一相干平行光与第二相干平行光满足光栅方程，

，其中d为干涉条纹的周期，

为激光器的波长，

为第一相干平行光与第二相干平行光夹角的一半。

8.根据权利要求1所述的一种激光干涉光刻系统，其特征在于：片夹持框内设有三个定位点，三个定位点端面共面。

Images