專利名稱：振鏡式激光直寫光刻機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微納加工領域，特別是一種振鏡式激光直寫光刻機，適用于加工二維光學元件、微機電系統(tǒng)、高精度印制電路板、半導體掩模等。
背景技術：
隨著微納加工領域特征尺寸的不斷縮小，光刻掩模板的制造成本不斷攀升，導致小批量的微納加工成本急劇上升；對產(chǎn)品的個性化和差異度的需求不斷增長，導致對小批量加工的需求不斷增長；激光直寫技術是一種無需光刻掩模板的光刻技術，小批量加工成本很低，無疑適應了這種趨勢。激光直寫技術，采用強度可變的激光直接照射樣品表面，在計算機的控制下有規(guī)律的移動樣片或改變激光照射位置，在樣片表面形成納米構造。激光直寫技術適合小批量加工微納結構，在制造成本、生產(chǎn)周期和靈活性方面有無與倫比的優(yōu)勢，廣泛應用于加工二維光學元件、微機電系統(tǒng)、高精度印制電路板、半導體掩模等。在先技術中，有一種模塊化的激光直刻裝置(參見發(fā)明專利，申請?zhí)?200710043639. 8)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了激光直寫光刻，具有操作簡單、易于組建等優(yōu)點，但存在以下不足(1)該裝置無激光掃描系統(tǒng)，靠樣品臺帶動樣品移動形成光刻，刻寫速度過慢，不利于刻寫大范圍樣品和樣品的批量化制造；(2)該裝置的控制系統(tǒng)為非實時的計算機，對整個系統(tǒng)的控制和響應速度慢，同樣不利于刻寫大范圍樣品和樣品的批量化制造，尤其不利于樣品的批量化制造；在先技術中，有一種高速多光束并行激光直寫裝置(參見實用新型專利，申請?zhí)?CN200920067227.幻，該裝置克服了以上不足，但帶來了新的問題(1)由于采用多光束刻寫，多光束之間的相對位置調(diào)節(jié)難度大，降低了光束相對位置的可控性，增加了機器調(diào)整的難度；(2)多光束刻寫的調(diào)制不同步將對刻寫圖形產(chǎn)生影響，尤其是對于刻寫大范圍樣品影響更為突出，多光束刻寫適合刻寫光柵，對于刻寫任意圖形無能為力；(3)由于控制系統(tǒng)和光源輸出功率的限制，光束的數(shù)目提升受到限制，速度進一步提高的難度大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是克服上述在先技術的不足，提供一種振鏡式激光直寫光刻機，該光刻機應能實現(xiàn)高速、大范圍、高精度的激光直寫光刻，適于快速經(jīng)濟地制作微納結構。本發(fā)明的工作原理是被調(diào)制的光刻激光經(jīng)過振鏡A和振鏡B反射，經(jīng)過物鏡照射到樣品表面；同步的控制振鏡A和振鏡B的轉動角度和光刻激光光強的調(diào)制，在樣品表面刻寫出小范圍的具有灰度分布的二維圖形；通過移動兩個精密位移臺，在樣片不同位置刻寫小范圍的二維灰度圖形，合理控制振鏡A和振鏡B的轉動范圍與兩個精密位移臺的移動距離的關系，形為大范圍的灰度刻寫圖形。本發(fā)明的技術方案解決如下一種振鏡式激光直寫光刻機，其特點在于它由六個模塊組成(1)激光掃描模塊，包括可調(diào)制激光器、第一偏振分光鏡、第一四分之一波片、擴束透鏡組、振鏡A、空間變換透鏡組、振鏡B、f- θ透鏡組、第一光譜分光鏡、光強探測器、物鏡、 共聚焦探測器和聚焦透鏡；(2)自動聚焦模塊，包括連續(xù)激光器、第二偏振分光鏡、第二四分之一波片、第二光譜分光鏡、壓電陶瓷微動儀、濾光片、像散透鏡組、四象限探測器；(3)樣品臺模塊，包括樣品臺、調(diào)平電機A/B/C、真空泵、真空電磁閥A/B/C;(4)位移臺模塊，包括精密位移臺A和精密位移臺B ；(5)樣片監(jiān)測模塊，包括照明光源、光束整形透鏡、半反半透分光鏡、成像透鏡組和成像裝置；(6)控制模塊，分為主控器和實時控制器；上述元器件的位置關系如下所述可調(diào)制激光器的激光輸出方向為第一偏振分光鏡，該第一偏振分光鏡將入射的激光束分成反射光束和透射光束，其反射光束進入自由空間，而透射光束依次經(jīng)第一四分之一波片的透射、擴束透鏡組的透射、振鏡A的反射、空間變換透鏡組的透射、振鏡B的反射、f-θ透鏡組的透射，第一光譜分光鏡的反射光束經(jīng)物鏡的透射照射到放置于樣品臺的樣片上，第一光譜分光鏡的透射光束射入光強探測器；放置于樣品臺的樣片的反射光束，經(jīng)原路返回，進入第一四分之一波片，在第一四分之一波片和第一偏振分光鏡構成的光隔離器的作用下，光束方向依次是聚焦透鏡和共聚焦探測器；所述連續(xù)激光器的激光輸出方向為第二偏振分光鏡，該第二偏振分光鏡將入射的激光束分成反射光束和透射光束，其透射光束進入自由空間，而反射光束依次經(jīng)第二四分之一波片的透射、第二光譜分光鏡的反射、第一光譜分光鏡的透射、物鏡的透射照射到放置于樣品臺的樣片上，由于樣片的反射，光束經(jīng)原路返回，進入第二四分之一波片，在第二四分之一波片和第二偏振分光鏡構成的光隔離器的作用下，經(jīng)過濾光片、像散透鏡組，由四象限探測器探測；所述的照明光源發(fā)出的光束方向依次經(jīng)光束整形透鏡和半反半透分光鏡、第二光譜分光鏡、第一光譜分光鏡、物鏡，照射到所述的樣品臺上的樣片上，該照明光束被樣品反射后，依次經(jīng)物鏡、第一光譜分光鏡、第二光譜分光鏡、半反半透分光鏡，被半反半透分光鏡反射后，經(jīng)成像透鏡組，由所述的成像裝置成像；所述第一光譜分光鏡反射所述的可調(diào)制激光器出射的光，透射其他波長的光；所述的第二光譜分光鏡反射所述的連續(xù)激光器出射的光，透射其他波長的光；由于兩個光譜分光鏡的作用，使得三個不同波長的光路不產(chǎn)生相互干擾；所述的空間變換透鏡組和f_ θ透鏡組主光軸相互垂直并且均為水平方向，振鏡A 轉動軸、空間變換透鏡組主光軸和振鏡B轉動軸兩兩相互垂直，振鏡A和振鏡B分別位于空間變換透鏡組的兩端；振鏡A轉動軸平行于f-θ透鏡組主光軸，所述的振鏡Α、空間變換透鏡組、振鏡B和f- θ透鏡組的空間位置，使f- θ透鏡組像面上的光斑位置與振鏡A和振鏡 B的轉動角度呈線性對應關系；所述激光掃描模塊的物鏡安裝在自動聚焦模塊的壓電陶瓷微動儀上；所述的樣品臺放置于調(diào)平電機A/B/C之上，以調(diào)平電機A/B/C所在位置為頂點的三角形為等邊三角形，該三角形中心與樣品臺中心的連線為豎直方向；所述的調(diào)平電機A/B/C固定于所述的精密位移臺A上；所述的真空泵與真空電磁閥A/B/C之間有氣管相連，真空電磁閥A/B/C分別與樣品臺的三個氣閥通過氣管相連；所述的精密位移臺B水平放置于底座上；精密位移臺A水平放置，并垂直固定于精密位移臺B上；精密位移臺A和精密位移臺B組成運動方向相互正交的二維精密位移臺；所述主控器與所述的成像裝置和實時控制器之間通過通信電纜相連；所述的實時控制器控制所述的可調(diào)制激光器、振鏡Α、振鏡B、光強探測器、共聚焦探測器、連續(xù)激光器、壓電陶瓷微動儀、四象限光電探測器、調(diào)平電機A/B/C、真空電磁閥A/ B/C、精密位移臺A和精密位移臺B協(xié)同工作。所述的可調(diào)制激光器為可調(diào)制半導體激光器，或固體激光器與調(diào)制器的組合，或氣體激光器與調(diào)制器的組合；，要求激光波長適于進行激光直寫光刻，其調(diào)制頻率能夠滿足刻寫速度的要求。所述的光強探測器為光電探測器，能夠監(jiān)測光刻光路光強，為調(diào)整光路提供依據(jù)。所述的共聚焦探測器，為高速PIN光電二級管、雪崩二極管、光電倍增管中的一種，其感光面與所述的聚焦透鏡焦面重合。所述激光掃描模塊的聚焦透鏡與物鏡在光路中共軛對稱。所述的連續(xù)激光器要求出射激光不能影響刻寫效果，出射光為平行光且束腰大小以稍大于物鏡入瞳為宜；所述的濾光片，透射連續(xù)激光器出射激光波長的光，吸收其他波長的光；所述的像散透鏡組，為像散透鏡和匯聚透鏡的組合。所述的樣品臺，為帶有真空吸附功能表面拋光的樣品臺。所述的成像裝置為電荷耦合器件(CXD)成像裝置或互補式金屬氧化物半導體 (CMOS)成像裝置。本發(fā)明的工作流程如下實時控制器同步控制可調(diào)制激光器的調(diào)制、振鏡A和振鏡B的轉動，在樣片表面刻寫出所需的二維小范圍灰度刻寫圖形；通過移動精密位移臺A和精密位移臺B，控制刻寫圖形的位置，先后在不同位置進行光刻，形成大范圍的激光直寫光刻；在刻寫過程中，為了維持光刻系統(tǒng)聚焦穩(wěn)定性，需要自動聚焦模塊的參與，自動聚集模塊的工作流程為實時控制器采集四象限光電探測器信號，經(jīng)分析可以獲知光刻系統(tǒng)聚焦情況，進而控制壓電陶瓷微動儀調(diào)節(jié)物鏡與樣片的距離，達到讓光刻系統(tǒng)處于聚焦狀態(tài)的目的；刻寫前的準備工作包括，放置樣片、樣片的調(diào)平和物鏡的調(diào)焦，首先進行的是放置樣片，然后是樣片的調(diào)平，最后進行物鏡的調(diào)焦；放置樣片，即將樣片放置在樣品臺上，在樣片監(jiān)測模塊的參與下，合理調(diào)整樣片姿態(tài)，然后在真空吸附裝置的支持下固定樣片；樣片的調(diào)平，即調(diào)節(jié)樣片使其上表面(刻寫面)平行于物鏡的焦面，此過程是通過調(diào)節(jié)調(diào)平電機A/ B/C實現(xiàn)的；物鏡的調(diào)焦，見自動聚焦模塊的工作流程；刻寫準備和刻寫過程的監(jiān)測需要樣片監(jiān)測模塊的參與，樣片監(jiān)測模塊的工作流程為照明光源出射的光經(jīng)光束整形透鏡、半反半透分光鏡、第二光譜分光鏡、第一光譜分光鏡、物鏡的透射，照射到樣片表面，帶有樣片表面信息的反射光經(jīng)物鏡、第一光譜分光鏡、第二光譜分光鏡的透射，半反半透分光鏡的反射，成像透鏡組的透射，進入成像裝置，上位機監(jiān)測成像裝置信號，可以獲得樣片表面信息，達到監(jiān)測的目的。與在先技術相比，本發(fā)明的技術效果如下1、本發(fā)明承襲了在先技術的優(yōu)點，具有操作簡單、模塊化等優(yōu)點；2、本發(fā)明采用雙振鏡組成的激光掃描模塊，變單光束定點刻寫為光束二維掃描刻寫，大大提高的刻寫速度；3、本發(fā)明采用實時控制器，縮短了控制與數(shù)據(jù)傳輸所耗時間，提高了系統(tǒng)的運行速度；4、本發(fā)明采用兩個高精度位移臺，使得激光掃描在樣片的不同位置實現(xiàn)光刻，達到大范圍刻寫的目的；5、本發(fā)明增加了共聚焦探測器，形成在線共聚焦顯微鏡，能夠更加真實的反應刻寫的效果；


圖1為本發(fā)明振鏡式激光直寫光刻機的原理圖；圖2為本發(fā)明真空吸附裝置示意圖；圖3為本發(fā)明激光直寫光刻機的工作流程圖；圖4為本發(fā)明激光直寫光刻機的任意圖形刻寫效果示意圖；圖5本發(fā)明激光直寫光刻機的光柵刻寫效果示意圖；圖6為本發(fā)明光柵刻寫過程中樣片上光斑移動示意圖；圖7為本發(fā)明激光直寫光刻機的在線共聚焦顯微鏡的工作流程具體實施例方式請參閱附圖1，由圖可知，本發(fā)明的由六個模塊組成(1)激光掃描模塊，包括可調(diào)制激光器101、第一偏振分光鏡102、第一四分之一波片103、擴束透鏡組104、振鏡A105、空間變換透鏡組106、振鏡B107、f- θ透鏡組108、第一光譜分光鏡109、光強探測器110、物鏡111、共聚焦探測器112、聚焦透鏡113 ；(2)自動聚焦模塊，包括連續(xù)激光器201、第二偏振分光鏡202、第二四分之一波片 203、第二光譜分光鏡204、壓電陶瓷微動儀205、濾光片206、像散透鏡組207、四象限探測器 208 ；(3)樣品臺模塊，包括樣品臺301、調(diào)平電機A/B/C302、真空泵303、真空電磁閥A/ B/C304 ；
(4)位移臺模塊，包括精密位移臺A401和精密位移臺B402 ；(5)樣片監(jiān)測模塊，包括照明光源501、光束整形透鏡502、半反半透分光鏡503、成像透鏡組504、成像裝置505 ；(6)控制模塊，分為主控器601和實時控制器602 ；上述元器件的位置關系如下所述可調(diào)制激光器101的激光輸出方向為第一偏振分光鏡102，該第一偏振分光鏡102將入射的激光束分成反射光束和透射光束，其反射光束進入自由空間，而透射光束依次經(jīng)第一四分之一波片103的透射、擴束透鏡組104的透射、振鏡A105的反射、空間變換透鏡組106的透射、振鏡B107的反射、f- θ透鏡組108的透射，第一光譜分光鏡109的反射光束經(jīng)物鏡111的透射照射到放置于樣品臺301的樣片上，第一光譜分光鏡109的透射光束射入光強探測器110 ；放置于樣品臺301的樣片的反射光束，經(jīng)原路返回，進入第一四分之一波片103， 在第一四分之一波片103和第一偏振分光鏡102構成的光隔離器的作用下，光束方向依次是聚焦透鏡113和共聚焦探測器112 ；所述連續(xù)激光器201的激光輸出方向為第二偏振分光鏡202，該第二偏振分光鏡 202將入射的激光束分成反射光束和透射光束，其透射光束進入自由空間，而反射光束依次經(jīng)第二四分之一波片203的透射、第二光譜分光鏡204的反射、第一光譜分光鏡109的透射、物鏡111的透射照射到放置于樣品臺301的樣片上，由于樣片的反射，光束經(jīng)原路返回， 進入第二四分之一波片203，在第二四分之一波片203和第二偏振分光鏡202構成的光隔離器的作用下，經(jīng)過濾光片206、像散透鏡組207，照射到四象限探測器208 ；所述的照明光源501發(fā)出的光束方向依次是光束整形透鏡502和半反半透分光鏡503、第二光譜分光鏡204、第一光譜分光鏡109、物鏡111，照射到所述的樣品臺301上的樣片上，該照明光束被樣品反射后，依次經(jīng)物鏡111、第一光譜分光鏡109、第二光譜分光鏡 204、半反半透分光鏡503，被半反半透分光鏡503反射后，經(jīng)成像透鏡組504，由所述的成像裝置505成像；所述第一光譜分光鏡109，要求反射激光掃描模塊的可調(diào)制激光器101出射的光， 透射其他波長的光；所述的第二光譜分光鏡204，要求反射自動聚焦模塊的連續(xù)激光器201 出射的光，透射其他波長的光；由于兩個光譜分光鏡的作用，使得三個不同波長的光路不產(chǎn)生相互干擾；所述激光掃描模塊的空間變換透鏡組106和f- θ透鏡組108主光軸相互垂直并且均為水平方向，振鏡Α105轉動軸、空間變換透鏡組106主光軸、振鏡Β107轉動軸兩兩相互垂直，振鏡Α105和振鏡Β107分別位于空間變換透鏡組106的兩端；振鏡Α105轉動軸平行于f_ θ透鏡組108主光軸，合理設計振鏡Α105、空間變換透鏡組106、振鏡Β107和f- θ透鏡組108的空間位置，能夠使f- θ透鏡組108像面上的光斑位置與振鏡Α105和振鏡Β107 的轉動角度呈線性對應關系；所述激光掃描模塊的物鏡111安裝在自動聚焦模塊的壓電陶瓷微動儀205上；所述的樣品臺301，放置于調(diào)平電機A/B/C302之上，以調(diào)平電機A/B/C302所在位置為頂點的三角形為等邊三角形，該三角形中心與樣品臺中心的連線為豎直方向；所述樣品臺模塊調(diào)平電機A/B/C302固定于位移臺模塊的精密位移臺Α401上；
所述樣品臺模塊的真空泵303與真空電磁閥A/B/C304之間有氣管相連，真空電磁閥A/B/C304分別與樣品臺301的三個氣閥通過氣管相連；所述位移臺模塊的精密位移臺B402水平放置于底座上；精密位移臺A401水平放置，并垂直固定于精密位移臺B402上；精密位移臺A401和精密位移臺B402組成運動方向相互正交的二維精密位移臺；所述主控器601，與所述的成像裝置505和實時控制器602之間通過通信電纜相連；所述實時控制器602，控制著可調(diào)制激光器101、振鏡A105、振鏡B107、光強探測器 110、共聚焦探測器112、連續(xù)激光器201、壓電陶瓷微動儀205、四象限光電探測器208、調(diào)平電機A/B/C302、真空電磁閥A/B/C304、精密位移臺A401和精密位移臺B402。所述可調(diào)制激光器101，為可調(diào)制半導體激光器，或固體激光器與調(diào)制器的組合， 或氣體激光器與調(diào)制器的組合，要求激光波長適于進行激光直寫光刻，其調(diào)制頻率能夠滿足刻寫速度的要求；所述第一偏振分光鏡102和第一四分之一波片103，構成光隔離器，使樣片反射光透過聚焦透鏡113照射到共聚焦探測器112上；所述的空間變換透鏡組106，功能為將振鏡A105反射的激光進行空間變換，精確的入射到振鏡B107上，并保證振鏡A105的反射光線與振鏡B107的入射光線在角度上有線性對應關系；所述的f-θ透鏡組108，功能為將光線的角度變化轉化為光斑的位置變化，結果為f-θ透鏡組108焦面上光斑的位置與振鏡A105、振鏡B107轉動的角度呈線性對應關系；所述的光強探測器110，為一種光電探測器，能夠監(jiān)測光刻光路光強，為調(diào)整光路提供依據(jù)；所述的共聚焦探測器112，為高速PIN光電二級管、雪崩二極管、光電倍增管中的一種，其感光面與聚焦透鏡113焦面重合；所述激光掃描模塊的聚焦透鏡113與物鏡111在光路中共軛對稱；所述的連續(xù)激光器201，要求出射激光不能影響刻寫效果，出射光為平行光且束腰大小以稍大于物鏡111入瞳為宜；所述第二偏振分光鏡202和第二四分之一波片203，構成光隔離器，使樣片反射光透過濾光片206、像散透鏡組207，照射到四象限探測器208上，而非連續(xù)激光器201 ；所述的濾光片206，透射連續(xù)激光器201出射激光波長的光，吸收其他波長的光； 所述的像散透鏡組207，為像散透鏡和匯聚透鏡的組合，功能為將樣片反射的光進行空間變換，使其光斑形狀隨著物鏡111聚焦情況變化而變化；所述的樣品臺301，為帶有真空吸附功能表面拋光的樣品臺；所述的照明光源501，要求出射光不影響光刻效果，且不同于連續(xù)激光器201出射激光波長；所述的成像裝置505為電荷耦合器件CXD成像裝置或互補式金屬氧化物半導體 (CMOS)成像裝置；參閱圖2，圖2是樣品臺真空吸附裝置示意圖，該圖為樣品臺上表面氣孔布局和周邊氣閥位置示意圖，圖中氣閥A、B、C分別與樣品臺區(qū)域A、B、C中氣孔相通；參閱圖1和圖2，樣品臺301的氣閥A、B、C分別與真空電磁閥A/B/C304通過氣管相通；合理控制三個真空電磁閥的通斷，使樣品臺301適合吸附不同大小的樣片。實施例1實施例1，為一激光直寫光刻機，可以刻寫光柵、任意圖形，刻寫形式可以為聚焦激光直寫和變焦激光直寫，主要工作流程如圖3所示。首先，將樣片放置于樣品臺301上，在樣片監(jiān)測模塊的幫助下，調(diào)整樣片的姿態(tài)； 當樣片處于合適姿態(tài)以后，運行樣品臺模塊進行樣片的調(diào)平，即使樣片平行于物鏡焦面；進行樣片調(diào)平的依據(jù)來源于自動聚焦模塊，故樣片的調(diào)平過程伴隨著物鏡的調(diào)焦；當樣片上表面與物鏡焦面重合時，開啟真空吸附裝置，固定樣片與樣品臺301上，然后打開光刻激光器101 ；開啟自動聚焦模塊，使系統(tǒng)處于聚焦狀態(tài)，然后關閉自動聚焦模塊，進行激光掃描光刻，移動樣品臺(帶動樣片)到下一次激光掃描刻寫位置，重復進行系統(tǒng)聚焦、激光掃描光刻和樣品臺移動，直至所設計的刻寫圖形刻寫完畢；圖4為重復進行16次激光掃描光刻的刻寫效果示意圖，其中A-P分別為一次激光掃描光刻圖形；刻寫完畢后，關閉光刻激光器；最后，將光刻樣片保存；如需刻寫其他樣片，重復以上過程，否則，關機。實驗中，激光掃描模塊的可調(diào)制激光器101采用出射波長為405nm的可調(diào)制半導體激光器；振鏡A105和振鏡B107均采用轉動幅度達士5°，頻率達1. 5kHz的振鏡；位移臺模塊的精密位移臺A40)和精密位移臺B402均采用移動范圍達100mm，精度為2nm的高精度長程位移臺。經(jīng)實驗驗證，本發(fā)明有高精度、高速度、大范圍的刻寫特點；經(jīng)實驗驗證的可分辨的像素點為500nm*500nm，提高振鏡轉動的穩(wěn)定性，分辨率有望進一步提高；經(jīng)實驗驗證的刻寫速度達每秒3X 106刻寫點，限制因素為振鏡的轉動頻率和轉動范圍；刻寫范圍取決于精密位移臺的移動范圍。將激光掃描光刻中的掃描改由振鏡A105和振鏡B107中的一個與精密位移臺A401 和精密位移臺B402中的一個完成，使二者在樣片表面形成的掃描方向相互垂直，可以刻寫光柵；另外的振鏡起調(diào)節(jié)作用；樣品臺(帶動樣片)移動由另一精密位移臺實現(xiàn)。圖5為刻寫的光柵效果示意圖，圖中A-D的標號表示了刻寫的次第，其中振鏡轉動形成的光掃描為χ 方向，形成掃描的精密位移臺的位移方向為y方向，移動樣片的方向為χ方向，樣片上光斑的移動順序如圖6所示。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)對焦狀態(tài)，本發(fā)明可以適合不同需求；其原理為，通過改變系統(tǒng)對焦狀態(tài)，可以影響樣片表面的光場分布，達到不同的刻寫效果；實現(xiàn)變焦可以通過改變自動聚焦參數(shù)實現(xiàn)。本發(fā)明安裝了在線共聚焦顯微鏡，主要工作流程如圖7所示，原理為通過觀測樣片反射光刻激光，探測樣片表面信息，優(yōu)點為光路與光刻系統(tǒng)為同一光路，在刻寫的過程中就可觀測刻寫效果，直接方便，為在線分析刻寫效果提供了可能。如圖1，共聚焦探測器112 能夠探測樣片表面反射光，該反射光攜帶了樣片表面物鏡聚焦點的信息，與激光直寫光刻機不同的是，激光掃描光刻是同步控制振鏡A105、振鏡B107的轉動和可調(diào)制激光器101的調(diào)制，而激光掃描成像是同步控制振鏡A105、振鏡B107的轉動和共聚焦探測器112對反射光信號的采集。
權利要求
1. 一種振鏡式激光直寫光刻機，其特征在于它由六個模塊組成(1)激光掃描模塊，包括可調(diào)制激光器(101)、第一偏振分光鏡(102)、第一四分之一波片(103)、擴束透鏡組(104)、振鏡A(105)、空間變換透鏡組(106)、振鏡B(107)、f-θ透鏡組(108)、第一光譜分光鏡(109)、光強探測器(110)、物鏡(111)、共聚焦探測器(11 、聚焦透鏡(113)；(2)自動聚焦模塊，包括連續(xù)激光器001)、第二偏振分光鏡002)、第二四分之一波片 (203)、第二光譜分光鏡(204)、壓電陶瓷微動儀(20 、濾光片(206)、像散透鏡組O07)、四象限探測器O08)；(3)樣品臺模塊，包括樣品臺(301)、調(diào)平電機A/B/C(302)、真空泵(303)、真空電磁閥 A/B/C(304)；(4)位移臺模塊，包括精密位移臺A(401)和精密位移臺B(402)；(5)樣片監(jiān)測模塊，包括照明光源(501)、光束整形透鏡(502)、半反半透分光鏡(503)、 成像透鏡組(504)、成像裝置(505)；(6)控制模塊，分為主控器(601)和實時控制器(602)；上述元器件的位置關系如下所述可調(diào)制激光器(101)的激光輸出方向為第一偏振分光鏡(102)，該第一偏振分光鏡(10 將入射的激光束分成反射光束和透射光束，其反射光束進入自由空間，而透射光束依次經(jīng)第一四分之一波片(103)的透射、擴束透鏡組(104)的透射、振鏡A(105)的反射、 空間變換透鏡組(106)的透射、振鏡B (107)的反射、f-θ透鏡組(108)的透射，第一光譜分光鏡(109)的反射光束經(jīng)物鏡(111)的透射照射到放置于樣品臺(301)的樣片上，第一光譜分光鏡(109)的透射光束射入光強探測器(110)；放置于樣品臺(301)的樣片的反射光束，經(jīng)原路返回，進入第一四分之一波片(103)， 在第一四分之一波片(103)和第一偏振分光鏡(102)構成的光隔離器的作用下，光束方向依次是聚焦透鏡(11 和共聚焦探測器(112)；所述連續(xù)激光器O01)的激光輸出方向為第二偏振分光鏡002)，該第二偏振分光鏡 (202)將入射的激光束分成反射光束和透射光束，其透射光束進入自由空間，而反射光束依次經(jīng)第二四分之一波片(20 的透射、第二光譜分光鏡O04)的反射、第一光譜分光鏡 (109)的透射、物鏡(111)的透射照射到放置于樣品臺(301)的樣片上，由于樣片的反射，光束經(jīng)原路返回，進入第二四分之一波片003)，在第二四分之一波片(20 和第二偏振分光鏡(202)構成的光隔離器的作用下，經(jīng)過濾光片006)、像散透鏡組007)，由四象限探測器 (208)探測；所述的照明光源(501)發(fā)出的光束方向依次是光束整形透鏡(502)和半反半透分光鏡(503)、第二光譜分光鏡004)、第一光譜分光鏡(109)、物鏡(111)，照射到所述的樣品臺 (301)上的樣片上，該照明光束被樣品反射后，依次經(jīng)物鏡(111)、第一光譜分光鏡(109)、 第二光譜分光鏡004)、半反半透分光鏡(503)，被半反半透分光鏡(50 反射后，經(jīng)成像透鏡組(504)，由所述的成像裝置(50 成像；所述第一光譜分光鏡(109)反射所述的可調(diào)制激光器(101)出射的光，透射其他波長的光；所述的第二光譜分光鏡(204)反射所述的連續(xù)激光器(201)出射的光，透射其他波長的光；由于兩個光譜分光鏡的作用，使得三個不同波長的光路不產(chǎn)生相互干擾；所述的空間變換透鏡組(106)和f-θ透鏡組(108)主光軸相互垂直并且均為水平方向，振鏡A(l(^)轉動軸、空間變換透鏡組(106)主光軸和振鏡B(107)轉動軸兩兩相互垂直，振鏡A(105)和振鏡B(107)分別位于空間變換透鏡組(106)的兩端；振鏡A(105)轉動軸平行于f-θ透鏡組(108)主光軸，所述的振鏡A(105)、空間變換透鏡組(106)、振鏡B(107) 和f-θ透鏡組(108)的空間位置，使f-θ透鏡組(108)像面上的光斑位置與振鏡A (105) 和振鏡B (107)的轉動角度呈線性對應關系；所述激光掃描模塊的物鏡(111)安裝在自動聚焦模塊的壓電陶瓷微動儀(20 上；所述的樣品臺(301)放置于調(diào)平電機A/B/C(3(^)之上，以調(diào)平電機A/B/C(3(^)所在位置為頂點的三角形為等邊三角形，該三角形中心與樣品臺中心的連線為豎直方向；所述的調(diào)平電機A/B/C(3(^)固定于所述的精密位移臺A(401)上；所述的真空泵(303)與真空電磁閥A/B/C(304)之間有氣管相連，真空電磁閥Α/Β/ C(304)分別與樣品臺(301)的三個氣閥通過氣管相連；所述的精密位移臺B (40 水平放置于底座上；精密位移臺A (401)水平放置，并垂直固定于精密位移臺B(4(^)上；精密位移臺A(401)和精密位移臺B(4(^)組成運動方向相互正交的二維精密位移臺；所述主控器(601)與所述的成像裝置(50 和實時控制器(60 之間通過通信電纜相連；所述的實時控制器(60 控制所述的可調(diào)制激光器(101)、振鏡A (105)、振鏡B (107)、 光強探測器(110)、共聚焦探測器(112)、連續(xù)激光器001)、壓電陶瓷微動儀005)、四象限光電探測器(208)、調(diào)平電機A/B/C(302)、真空電磁閥A/B/C(304)、精密位移臺A (401)和精密位移臺B (402)協(xié)同工作。
2.根據(jù)權利要求1所述的振鏡式激光直寫光刻機，其特征在于，所述的可調(diào)制激光器 (101)為可調(diào)制半導體激光器，或固體激光器與調(diào)制器的組合，或氣體激光器與調(diào)制器的組合；，要求激光波長適于進行激光直寫光刻，其調(diào)制頻率能夠滿足刻寫速度的要求。
3.根據(jù)權利要求1所述的振鏡式激光直寫光刻機，其特征在于，所述的光強探測器 (110)，為光電探測器，能夠監(jiān)測光刻光路光強，為調(diào)整光路提供依據(jù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的振鏡式激光直寫光刻機，其特征在于，所述激光掃描模塊的共聚焦探測器(112)，為高速PIN光電二級管、雪崩二極管、光電倍增管中的一種，其感光面與所述的聚焦透鏡(11 焦面重合。
5.根據(jù)權利要求1所述的振鏡式激光直寫光刻機，其特征在于，所述激光掃描模塊的聚焦透鏡(11 與物鏡(111)在光路中共軛對稱。
6.根據(jù)權利要求1所述的振鏡式激光直寫光刻機，其特征在于，所述自動聚焦模塊的連續(xù)激光器O01)，要求出射激光不能影響刻寫效果，出射光為平行光且束腰大小以稍大于物鏡(111)入瞳為宜。
7.根據(jù)權利要求1所述的振鏡式激光直寫光刻機，其特征在于，所述的自動聚焦模塊的濾光片006)，透射連續(xù)激光器O01)出射激光波長的光，吸收其他波長的光。
8.根據(jù)權利要求1所述的振鏡式激光直寫光刻機，其特征在于，所述自動聚焦模塊的像散透鏡組(207)，為像散透鏡和匯聚透鏡的組合。
9.根據(jù)權利要求1所述的振鏡式激光直寫光刻機，其特征在于，所述樣品臺模塊的樣品臺(301)，為帶有真空吸附功能表面拋光的樣品臺。
10.根據(jù)權利要求1所述的振鏡式激光直寫光刻機，其特征在于，所述的成像裝置 (505)為電荷耦合器件(CXD)成像裝置或互補式金屬氧化物半導體(CM0Q成像裝置。
全文摘要
一種振鏡式激光直寫光刻機，采用模塊化設計，由激光掃描模塊、自動聚焦模塊、樣品臺模塊、位移臺模塊、樣片監(jiān)測模塊和控制模塊組成。本發(fā)明采用雙振鏡激光掃描、大范圍二維位移臺，可實現(xiàn)高速、大范圍、高精度的激光直寫光刻，適于快速經(jīng)濟地制作微納結構。
文檔編號G02B26/10GK102495534SQ20111041277
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權日2011年12月12日
發(fā)明者劉前, 徐文東, 范永濤, 郝春寧 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所