專利名稱：利用光柵成像掃描光刻制備大尺寸光柵的方法
技術領域：
本發明屬于微納光學制造技術，主要涉及制備大尺寸光柵的一種簡單制造方法。
背景技術：
衍射光柵是一種應用非常廣泛且重要的高分辨率的色散光學元件，在現代光學儀器中占有相當重要的地位，它廣泛應用于分光、測量、甚至可控約束核聚變等各個領域，例如，大尺寸光柵用于在激光核聚變項目上對激光脈沖進行壓縮，其衍射效率可以達到95% 以上。在研制大尺寸光柵方面，國內外的許多研發機構都制作出了幾百毫米量級的光柵，具有代表性的主要是有兩種技術方案，一種就是全息法，還有一種是掃描干涉技術。全息光柵是利用雙激光光束干涉產生的，一次曝光就可以得到大面積的光柵，是目前大尺寸光柵的主要制造方法之一。美國的Lawrence Livermore NationalLaboratory(LNL)和法國Jobin Yvon公司都采用這種技術制造大尺寸光柵。全息法制造光柵的優點是整體光柵均勻一致，波面質量高，因此是目前大尺寸光柵制造的主流技術。但這個技術要求使用大口徑的透鏡，因此在制作大尺寸光柵時對透鏡的尺寸及平整度要求很高，特別是米級光柵的制作要求米級尺寸的大口徑透鏡，如此大尺寸的透鏡很難加工，因此這個技術制造大尺寸光柵有加工工藝的限制，同時隨著光柵尺寸的增大，曝光時間會隨之增長，要求其光柵條紋能夠長期穩定，對于激光器的輸出功率有非常高的要求。另一種方案是以美國的 Massachusetts Institute ofTechnology (MIT) % 代表的掃描干涉拼接技術，他們采用的是一種稱為farming Beam Interference Lithography ( SBIL)[Carl G Chen and Mark L. Schattenburg, A Brief History of Gratings andthe Making ofthe MIT Nanoruler,March 11, 2004], SBIL 類似于傳統的雙光束干涉方法，該方法可以通過掃描拼接來獲得大尺寸，不需要大口徑透鏡，但是由于雙光束干涉后沒有一個清晰的邊界，因此對拼接要求很高，而且由于其兩束光不是同光路共光軸，對相干性要求很高，其條紋均勻性也不是很好。此外，制作大尺寸光柵的方法還有機械刻劃法等。用機械刻劃法制得的光柵刻槽是依次刻劃產生的，存在周期性和隨機性位移誤差，這就導致了“鬼線”(偽譜線)的產生， 同時由于刻刀刃微觀豁口的存在，其雜散光較強，而且制作周期相當漫長，無法有效的解決大尺寸光柵的制備問題。
發明內容
為了克服上述技術缺陷，本發明提出一種利用光柵成像掃描光刻制備大尺寸光柵的方法，其優點結構簡單，通過光柵的衍射級次產生多束光，在其譜面選取士 1級衍射級次，產生雙光束實現干涉條紋。采用4F系統使光柵清晰成像在干涉區域，通過掃描技術制作大尺寸光柵。本發明的技術解決方案如下
一種利用光柵成像掃描光刻制備大尺寸光柵的方法，其特點在于該方法包括下列步驟①構建一個實現光柵成像的光路系統，包括激光器、第一反射鏡、第二反射鏡、擴束裝置、準直透鏡、位相光柵、第一透鏡、空間濾波器、第二透鏡和基板，所述的基板固定在可沿X軸即水平軸、Y軸即垂直軸精密移動的移動臺上，所述的位相光柵置于一個旋轉臺上，所述的第一反射鏡和第二反射鏡與激光器的輸出光路的夾角為45°，所述的激光器發出的光經過第一反射鏡和第二反射鏡反射后進入所述的擴束裝置，經所述的擴束裝置出來的光經過所述的準直透鏡成為平行光，該平行光依次經所述的位相光柵、第一透鏡、空間濾波器、第二透鏡照射在所述的基板上，所述的位相光柵、第一透鏡、空間濾波器、第二透鏡和基板構成4F成像系統；②將所述的位相光柵固定在旋轉臺上，使所述的位相光柵能在垂直于入射光線的平面內旋轉，以利于調整位相光柵的條紋方向和基板移動方向之間的夾角；③在所述的基板位置安裝一塊相似的試驗基片，調整使所述的位相光柵的光柵平面與平行光入射方向垂直，并位于成像系統的第一透鏡的前焦面上，空間濾波器位于成像系統的頻譜面上，驅動所述的移動臺使所述的試驗基片位于所述的第二透鏡的后焦面上， 所述的位相光柵在所述的試驗基片上成實像，啟動所述的光路系統，曝光一次，然后沿著Y 軸移動一定距離再曝光一次，在顯微鏡下觀察兩次曝光后得到的條紋圖像，再仔細調整所述的旋轉臺，經多次曝光試驗后實現光柵的條紋方向與Y軸運動方向平行；④將所述的基板安裝在所述的移動臺上，驅動所述的移動臺，帶動所述的基板移動，啟動所述的光路系統，使所述的位相光柵在所述的基板上成實像，并位于基板左上角的掃描初始位置，使基板的像位置曝光；⑤驅動所述的移動臺，帶動所述的基板沿Y軸方向向下移動掃描，實現在Y軸方向上掃描曝光，然后驅動所述的移動臺在X軸方向上移動一個與所述的位相光柵的橫向尺寸相當的距離后，再自上而下或自下而上繼續驅動所述的移動臺沿Y軸方向移動掃描曝光， 掃描曝光產生的光柵實現無縫拼接；⑥重復步驟⑤直至完成所述的基板掃描曝光；⑦將所述的完成掃描曝光基板進行顯影、去鉻、去膠、刻蝕再去鉻這一系列工藝后即得到大尺寸光柵。所述的位相光柵有鋸齒形的輪廓，經過所述的4F成像系統后將位相光柵的鋸齒形邊界清晰地成像在基板上，另外通過使用位相光柵削弱了 0級出射光束的能量，增強了士 1級出射光束的能量，同時在光柵表面鍍上增透膜，這樣就充分利用了激光器的能量用于士 1級干涉。本發明的技術效果如下本發明利用位相光柵的衍射級次產生多束光，在4F系統的頻譜面上用濾波器選取士1級衍射級次，產生雙光束實現干涉條紋。同時經過4F系統后使光柵成像在干涉區域， 該實像具有一個清晰邊界，就能通過掃描技術制作大尺寸光柵。具有結構簡單、不存在雜散光、能量利用率高特點，是一種新型的、有效的制備大尺寸光柵的方法。
圖1是本發明中實現光柵成像的裝置結構圖；圖2是本發明采用的4F成像系統。圖3是本發明采用的位相光柵形狀示意圖；圖4是本發明中用于調節位相光柵條紋方向和平臺的Y軸移動方向，在試驗基片上兩次曝光后得到的示意圖；圖5是本發明中在基板上的掃描拼接示意圖；
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。一種利用光柵成像掃描光刻制備大尺寸光柵的方法，其特征在于該方法包括下列步驟①構建一個實現光柵成像的光路系統，先請參閱圖1，包括激光器1、第一反射鏡 2、第二反射鏡3、擴束裝置4、準直透鏡5、位相光柵6、第一透鏡7、空間濾波器8、第二透鏡9 和基板10，所述的基板10固定在可沿X軸即水平軸、Y軸即垂直軸精密移動的移動臺(圖中未示)上，所述的位相光柵6置于一個旋轉臺(圖中未示)上，所述的第一反射鏡2和第二反射鏡3與激光器1的輸出光路的夾角為45°，所述的激光器1發出的光經過第一反射鏡2和第二反射鏡3反射后進入所述的擴束裝置4，經所述的擴束裝置4出來的光經過所述的準直透鏡5成為平行光，該平行光依次經所述的位相光柵6、第一透鏡7、空間濾波器8、第二透鏡9照射在所述的基板10上，所述的位相光柵6、第一透鏡7、空間濾波器8、第二透鏡 9和基板10構成4F成像系統；②將所述的位相光柵6固定在旋轉臺上，使所述的位相光柵6能在垂直于入射光線的平面內旋轉，以利于調整位相光柵6的條紋方向和基板10移動方向之間的夾角；③在所述的基板10位置安裝一塊相似的試驗基片，調整使所述的位相光柵6的光柵平面與平行光入射方向垂直，并位于成像系統的第一透鏡7的前焦面上，空間濾波器8位于成像系統的頻譜面上，驅動所述的移動臺使所述的試驗基片位于所述的第二透鏡9的后焦面上，所述的位相光柵6在所述的試驗基片上成實像，啟動所述的光路系統，曝光一次， 然后沿著Y軸移動一定距離再曝光一次，在顯微鏡下觀察兩次曝光后得到的條紋圖像，再仔細調整所述的旋轉臺和移動臺，經多次曝光試驗后實現光柵的條紋方向與Y軸運動方向平行；④將所述的基板10安裝在所述的移動臺上，驅動所述的移動臺，帶動所述的基板 10移動，啟動所述的光路系統，使所述的位相光柵6在所述的基板10上成實像，并位于基板 10左上角的掃描初始位置，使基板10的像位置曝光；⑤驅動所述的移動臺，帶動所述的基板10沿Y軸方向向下移動掃描，實現在Y軸方向上掃描曝光，然后驅動所述的移動臺在X軸方向上移動一個與所述的位相光柵6的橫向尺寸相當的距離后，再自上而下或自下而上繼續驅動所述的移動臺沿Y軸方向移動掃描曝光，掃描曝光產生的光柵實現無縫拼接；⑥重復步驟⑤直至完成所述的基板10掃描曝光；⑦將所述的完成掃描曝光基板10進行顯影、去鉻、去膠、刻蝕再去鉻這一系列工藝后即得到大尺寸光柵。所述的位相光柵有鋸齒形的輪廓，經過所述的4F成像系統后將位相光柵的鋸齒形邊界成像在基板10上，另外通過使用位相光柵削弱了 0級出射光束的能量，增強了士 1 級出射光束的能量，同時在光柵表面鍍上增透膜，這樣就充分利用了激光器的能量用于士 1 級干涉。圖2是本發明采用的4F成像系統。圖3是本發明采用的位相光柵形狀示意圖，所述的位相光柵，將一片有鋸齒形輪廓的模板光柵，運用濕法刻蝕的方法制備位相光柵6，如圖3所示，使其衍射產生的士 1級出射光的能量增強，0級能量減弱，同時在位相光柵6表面鍍上增透膜，將其固定在一旋轉臺上，使其能在垂直于入射光線的平面內旋轉，以利于調整光柵6的條紋方向與基板移動方向的夾角。將位相光柵6固定在一旋轉臺上，使其能在垂直于入射光線的平面內旋轉，將基板10固定在可沿X軸即水平軸、Y軸即垂直軸精密移動的移動臺上，同時使基板10表面平行于位相光柵面。基板10處放置一片試驗基片，曝光一次，將移動臺沿Y軸方向移動一距離(c)，再曝光一次，將兩次曝光后的基片顯影、去鉻之后在顯微鏡下觀察前后兩次條紋方向是否發生偏移，如果偏移，則旋轉位相光柵6，繼續用新的試驗基片重復上述過程直至兩次曝光后條紋方向沒有發生偏移，這樣就實現了光柵的條紋方向與Y軸方向的嚴格平行， 如圖4所示。通過移動基板10實現掃描光刻，位相光柵6的條紋方向與平臺的一個運動方向平行后，沿著條紋方向移動平臺，實現在一個方向上掃描，同時，在垂直條紋方向上移動一固定距離(a+b)，其中鋸齒部分(寬度為b)重疊掃描，達到能量均勻且條紋匹配，這樣兩次掃描后形成的光柵就實現了無縫拼接，如圖5所示，多次掃描后得到的基板10經過顯影、去鉻、去膠、刻蝕再去鉻這一系列工藝后[參見Shunquan Wang,Changhe Zhou,Huayi Ru,and Yanyan Zhang,"Optimized condition for etching fused-silica phase gratings with inductively coupled plasma technology，” Appl. Opt. 44，4429-4434，2005]即可得到大尺寸光柵。對于制得的大尺寸光柵密度，根據衍射光柵方程，各級主極大由光柵周期d，光線入射角i，出射角θ以及衍射級次m決定，表達式如下Δ = d(sini+sin θ ) = mA當入射光為入射角i = 0的平行光束時，其士 1級衍射光束的夾角為ω = 2 θ，其中sin θ = λ /d對于兩束光干涉產生的干涉條紋其條紋間距e與相干光束的夾角ω'有關，有e = λ/{2sin ―)在本發明中大尺寸光柵的周期即為條紋間距e。本發明一個實施例的具體參數如下圖1中的激光器采用中心波長為442nm的 He-Cd激光器，第一面反射鏡2和第二面反射鏡3為玻璃基底鍍鋁反射鏡，擴束系統4由顯微物鏡和針孔的組成，透鏡5的焦距為400mm、直徑100mm，模板光柵的周期為40um，帶有鋸齒形的輪廓，外形參數為a = 30mm, b = 1mm, c = 6mm，用濕法刻蝕制得的位相光柵6采用 K9光學玻璃，其周期也為40um，刻槽深度為442nm，位相光柵的外形參數同模板光柵也為a =30mm, b = 1mm, c = 6mm，透鏡7和透鏡9的焦距為700mm、直徑120mm，空間濾波器8為開有兩個小孔的光闌，只允許士 1級的衍射光通過，基板10采用表面鍍有光刻膠的K9光學玻璃。利用上述實驗設備搭建圖1所示的光路圖，最終在基板10上成一個與位相光柵等大的實像。在試驗基片(位于基板10的位置)上曝光一次，然后將移動臺沿著Y軸方向移動6mm再曝光一次，在顯微鏡下觀察兩次曝光后得到的條紋圖像，多次試驗后實現條紋方向與Y軸方向平行。最后在基板10上進行大面積掃描，先將基板10沿著Y軸正方向平移距離300mm，然后沿著X軸正方向平移31mm，再沿著Y軸負方向移動300mm，使重疊掃描部分能量均勻且條紋匹配，再沿著X軸正方向平移31mm，重復上述類似方波形的掃描路線，將多次掃描后得到的基板10經過顯影、去鉻、去膠、刻蝕再去鉻這一系列工藝后即可得到大尺寸光柵。對于制得的光柵密度，由于采用4F系統，衍射光束的夾角ω與相干光束的夾角 ω丨相等，因此有制得的大尺寸光柵的周期為位相光柵6周期的一半，即20um。
權利要求
1.一種利用光柵成像掃描光刻制備大尺寸光柵的方法，其特征在于該方法包括下列步驟①構建一個實現光柵成像的光路系統，包括激光器(1)、第一反射鏡O)、第二反射鏡 (3)、擴束裝置(4)、準直透鏡(5)、位相光柵(6)、第一透鏡(7)、空間濾波器(8)、第二透鏡 (9)和基板(10)，所述的基板(10)固定在可沿X軸即水平軸、Y軸即垂直軸精密移動的移動臺上，所述的位相光柵(6)置于一個旋轉臺上，所述的第一反射鏡( 和第二反射鏡(3) 與激光器(1)的輸出光路的夾角為45°，所述的激光器(1)發出的光經過第一反射鏡(2) 和第二反射鏡⑶反射后進入所述的擴束裝置G)，經所述的擴束裝置⑷出來的光經過所述的準直透鏡( 成為平行光，該平行光依次經所述的位相光柵(6)、第一透鏡(7)、空間濾波器(8)、第二透鏡(9)照射在所述的基板(10)上，所述的位相光柵(6)、第一透鏡(7)、空間濾波器⑶、第二透鏡(9)和基板(10)構成4F成像系統；②將所述的位相光柵(6)固定在旋轉臺上，使所述的位相光柵(6)能在垂直于入射光線的平面內旋轉，以利于調整位相光柵(6)的條紋方向和基板(10)移動方向之間的夾角；③在所述的基板(10)位置安裝一塊相似的試驗基片，調整使所述的位相光柵(6)的光柵平面與平行光入射方向垂直，并位于成像系統的第一透鏡(7)的前焦面上，空間濾波器(8)位于成像系統的頻譜面上，驅動所述的移動臺使所述的試驗基片位于所述的第二透鏡(9)的后焦面上，所述的位相光柵(6)在所述的試驗基片上成實像，啟動所述的光路系統， 曝光一次，然后沿著Y軸移動一定距離再曝光一次，在顯微鏡下觀察兩次曝光后得到的條紋圖像，再仔細調整所述的旋轉臺，經多次曝光試驗后實現光柵的條紋方向與Y軸運動方向平行；④將所述的基板(10)安裝在所述的移動臺上，驅動所述的移動臺，帶動所述的基板(10)移動，啟動所述的光路系統，使所述的位相光柵(6)在所述的基板(10)上成實像，并位于基板(10)左上角的掃描初始位置，使基板(10)的像位置曝光；⑤驅動所述的移動臺，帶動所述的基板(10)沿Y軸方向向下移動掃描實現在Y軸方向上掃描光刻，然后驅動所述的移動臺在X軸方向上移動一個與所述的位相光柵(6)的橫向尺寸相當的距離后，再自上而下或自下而上繼續驅動所述的移動臺沿Y軸方向移動掃描曝光，掃描曝光產生的光柵實現無縫拼接；⑥重復步驟⑤直至完成所述的基板(10)掃描曝光；⑦將所述的完成掃描曝光基板(10)進行顯影、去鉻、去膠、刻蝕再去鉻這一系列工藝后即得到大尺寸光柵。
2.根據權利要求1所述的位相光柵(6)，其特征在于光柵有鋸齒形的輪廓，經過一成像系統后可以將鋸齒形邊界成像在基板(10)上，另外通過使用位相光柵削弱了 0級出射光束的能量，增強了士 1級出射光束的能量，同時在光柵表面鍍上增透膜，這樣就充分利用了激光器的能量用于士 1級干涉。
3.根據權利要求1所述的空間濾波器(8)，其特征在于位于4F系統頻譜面上，濾除了衍射產生的除士 1級外的其他級次的光，只留下士 1級兩束光在基板上干涉形成光柵條紋。
4.根據權利要求1所述的成像系統，其特征在于采用4F系統，可在其頻譜面上放置空間濾波器實現濾波，同時位相光柵(6)經過4F系統后能在基板(10)上成一等大的有清晰邊界的實像。
5.根據權利要求1所述的旋轉光柵(6)使其條紋方向與平臺的一個運動方向平行， 其特征在于可以通過在同一個基板上先后兩次曝光，在顯微鏡下觀察到兩次曝光得到的圖像，判斷條紋方向與平臺的運動方向是否平行，若不平行，則可以通過調節位相光柵(6)的旋轉臺，改變條紋方向。經多次調節后，最終實現這兩個方向的平行。
6.根據權利要求1所述的使兩次掃描產生的光柵實現無縫拼接，其特征在于位相光柵 (6)經過4F系統后能成一個具有清晰邊界的實像，光柵形狀為兩邊鋸齒形，鋸齒部分兩次覆蓋掃描使能量均勻且條紋匹配，從而消除拼縫。
全文摘要
一種利用光柵成像后掃描光刻制備大尺寸光柵的方法，該方法包括構建一個帶有濾波裝置的光柵成像光路系統；制備一片有鋸齒形輪廓的位相光柵；利用步驟一所建立的光路，將位相光柵和基板引入光路中，使光柵清晰地成像于基板上；通過移動基板實現掃描光刻；將所述的完成掃描曝光基板進行顯影、去鉻、去膠、刻蝕再去鉻這一系列工藝后即得到大尺寸光柵。本發明方法具有設備結構簡單、不存在雜散光、能量利用率高的優點，在制作大尺寸光柵方面有很好的發展前景。
文檔編號G02B5/18GK102565904SQ201210015259
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月18日 優先權日2012年1月18日
發明者俞斌, 周常河, 賈偉, 麻健勇 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所