大光栅的制造装置和制造方法与流程

本发明涉及光栅光刻，特别是一种大光栅的制造装置和制造方法。

背景技术：

光栅作为一种重要的基本光学元件，被广泛应用于国防、科研和国民经济的许多领域。尤其在天文观测仪器、大功率激光脉冲压缩和长距离精密测量中，大尺寸光栅是不可或缺的。

2003年，Carl Gang Chen在其博士论文中介绍了一种使用扫描光束法刻写大光栅的方法(Carl Gang Chen.Beam Alignment and Image Metrology for Scanning Beam Interference Lithography—Fabricating Gratings with Nanometer Phase Accuracy.PhD Thesis,Massachusetts Institute of Technology,2003.)。该技术使用相干光束创造出曝光条纹图样，使用大行程二维精密平移台托载光栅基片在曝光光束下扫描运动，使条纹基片各部分都被条纹图样曝光，形成完整的大面积光栅，可刻写出上百毫米级的光栅。

该技术的一个关键环节是使用了大行程二维精密位移台，它是整个光栅制造过程的运动部分，其行程和定位精度决定了最终光栅产品的大小和质量。而这样的二维平移台系统复杂，价格昂贵，且随尺寸扩大而倍增。以国内的现有技术很难做出长行程又具备纳米级定位精确度的二维平移台。

技术实现要素：

为了克服背景技术中所述的长行程精密二维平移台难以制造且成本高昂的困难，本发明提供一种大光栅的制造装置和制造方法，该装置，排除了构建复杂二维运动台系统的需要，大大降低了系统成本。

本发明的技术解决方案

一种基于一维精密平移台制造大光栅的制造装置，包括光源移动模块、基片移动模块和监测控制模块三部分，其特点在于：

所述的光源移动模块，包括光源、光源平移台和龙门架，所述的光源平移台为一维长行程平移台，其底座固定在所述的龙门架上，所述的光源通过连接块安装在所述的光源平移台的移动台面上，所述的光源向下投射曝光光束，当所述的光源平移台的移动台面直线运动时，所述的光源被带动沿直线运动，同时曝光光束划过一条直线；

所述的基片移动模块，包括两个平行放置的基片平移台、一块长条形的光栅基座和待曝光光栅基片，所述的两个基片平移台都为一维长行程精密平移台，平行安装在所述的龙门架下，所述的两个基片平移台的移动台面分别支撑所述的光栅基座的两端，所述的两个基片平移台的移动台面的运动方向与所述的光源平移台的移动台面的运动方向垂直，所述的两个基片平移台的移动台面的移动将带动所述的光栅基座移动，所述的待曝光的光栅基片放置在所述的光栅基座上，用压片固定；

所述的监测控制模块，包括一套3轴激光干涉仪和一台工控机，所述的3轴激光干涉仪有3个测量镜，安装在所述的光栅基座侧边，中轴测量镜安装在所述的光栅基座侧边中点处，旁轴测量镜安装点分别对准所述的两个基片平移台的运动轴线，所述的3轴激光干涉仪的三条测量激光束分别对准3个测量镜，与所述的待曝光的光栅基片处于同平面内，所述的3轴激光干涉仪可以精确测量出3个测量镜相对初始位置的位移量，所述的工控机与所述的3轴激光干涉仪、所述的光源平移台、所述的两个基片平移台、所述的光源相连，通过程序读取及控制它们的状态。

所述的光源发出的曝光光束，有多种光束类型可以采用，一种是激光直写装置发出的点光束，一种是利用双光束干涉在光栅基片平面产生的明暗条纹，一种是利用达曼光栅衍射产生的光点阵。

所述的大光栅的制造装置制造大光栅的方法，包含以下步骤：

1)将待曝光光栅基片置于所述的光栅基座上，用压片固定，启动所述的工控机(7)的程序进行以下操作，所述的两个基片平移台带动所述的待曝光光栅基片到达其移动台面运动起点，所述的光源平移台带动所述的光源到达其移动台面运动起点，初始化所述的3轴激光干涉仪的3轴读数为零，即设定此位置为测量原点；

2)打开所述的光源，所述的光源平移台带动所述的光源从去移动台面运动起点至终点作匀速直线运动，使所述的光源发出的曝光光束在所述的待曝光光栅基片上扫过一条直线段，即对当前位置进行了曝光；

3)关闭所述的光源，所述的光源平移台带动所述的光源退回到其移动台面运动起点；

4)设需要的光栅周期为t，若此时已经曝光了n次，则下一个曝光位置坐标为T＝(n+1)t，所述的两个基片平移台同时带动所述的待曝光光栅基片向前移动，移动量为t；

5)所述的两个基片平移台停稳后，所述的工控机读取所述的3轴激光干涉仪左、右两旁轴测量读数分别为P1，P2，中轴读数为P0，计算所述的两个基片平移台分别应做出的调整距离为：X1＝T-P0+(P2-P1)/2和X2＝T-P0+(P1-P2)/2，令所述的两个基片平移台分别相对当前位置移动X1，X2，正值表示前进，负值表示后退；

6)重复第5步，直到计算出的X1，X2小于基片平移台的最小移动步距或预设的最大容差，认为此时所述的待曝光光栅基片已经到达目标曝光位置T，调整结束；

7)当所述的待曝光光栅基片的曝光未完成时，返回步骤2)，当所述的待曝光光栅基片已完成全部曝光时，进入下一步；

8)取出所述的待曝光光栅基片，通过显影、去铬、烘干后得到光栅。

本发明的技术效果

本发明使用一维精密平移台搭建扫描光束刻写光栅系统。使用一台直线平移台驱动曝光光束，使用两台精密平移台驱动光栅基片，结合同平面的3轴激光干涉仪，在消阿贝误差的情况下对光栅基片位置及姿态精确检测，再经过工控机反馈调整控制，保证了光栅条纹的平行度和位置精度，其精度可达精密平移台的最小步距。对于纳米级平移台，可刻写出纳米级精度的光栅，光栅长度和宽度可达平移台行程。

本发明免除了扫描光束刻写光栅过程中使用二维精密平移台的需求，只需利用一维平移台搭建系统，而大大降低了整体成本；结构简单，易于搭建和维护；定位精确，制造光栅精度高；拓展性强，可根据需要加大平移台尺寸进行升级。

附图说明

图1是本发明装置的立体示意图。

图2是本发明装置的基片移动模块俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参阅图1，图1是本发明装置的立体示意图。由光源装置1产生曝光光束，其可以是双光束形成的条纹干涉场，也可以采用激光直写光束，或达曼光栅产生的点阵。光源装置1安装于一维直线平移台2上，可在平移台2的带动下做匀速直线运动，方向如图中箭头所示。平移台2固定于龙门架3上。以上部分构成设备的光源移动模块。

龙门架3下面平行安装有两台一维精密平移台601、602作为基片平移台，两平移台601、602运动方向垂直于光源平移台2，在图1中垂直于纸面。两平移台6分别支起光栅基座5的两端，刻写光栅时光栅基片4被固定在光栅基座5上，基片4高度应位于曝光光束的焦点上。当两个基片平移台601、602运动时，可带动光栅基座板5进而带动光栅基片4运动。以上部分构成设备的基片移动模块。

再参阅图2，两台一维精密平移台601、602平行排布，托载光栅基座板5的侧面的中部及两边安装有3面反射镜801、802、800。3轴激光干涉仪7发出与基片平移台601、602运动方向相平行的测量激光束901、902、900，可精确测量出3面反射镜801、802、800相对初始位置的位移量。中间轴读数P0作为光栅基片4的位置读数，两旁轴读数P1，P2作为光栅基片4的姿态参考。为消除测量的阿贝误差，3轴激光干涉仪7的测量激光束901、902、900及反射镜801、802、800应与光栅基片4在同一高度的平面内。

因为光栅基片4与平移台6的内部定位平面存在一高度差，平移台6的定位读数与光栅基片4的真实位置存在，因此需要用3轴激光干涉仪6对光栅基片4精确测量定位。，以符合阿贝原理。

3轴激光干涉仪7，测量激光束901、902、900，反射镜801、802、800以及监控各个仪器设备的工控机(图中未画出)组成监测控制模块。整个装置应固定在稳定的隔震平台上，以削减环境振动带来的影响。

利用该装置制造大光栅的方法，包含以下步骤：

1)将待曝光光栅基片4置于所述的光栅基座5上，用压片固定，启动所述的工控机7的程序进行以下操作，所述的两个基片平移台601、602带动所述的待曝光光栅基片4到达其移动台面运动起点，所述的光源平移台2带动所述的光源1到达其移动台面运动起点，初始化所述的3轴激光干涉仪7的3轴读数为零，即设定此位置为测量原点；

2)打开所述的光源1，所述的光源平移台5带动所述的光源1从去移动台面运动起点至终点作匀速直线运动，使所述的光源1发出的曝光光束在所述的待曝光光栅基片4上扫过一条直线段，即对当前位置进行了曝光；

3)关闭所述的光源1，所述的光源平移台2带动所述的光源1退回到其移动台面运动起点；

4)设需要的光栅周期为t，若此时已经曝光了n次，则下一个曝光位置坐标为T＝(n+1)*t，所述的两个基片平移台601、602同时带动所述的待曝光光栅基片4向前移动，移动量为t；

5)所述的两个基片平移台601、602停稳后，所述的工控机7读取所述的3轴激光干涉仪7左、右两旁轴测量读数分别为P1，P2，中轴读数为P0，计算所述的两个基片平移台601、602分别应做出的调整距离为：X1＝T-P0+(P2-P1)/2和X2＝T-P0+(P1-P2)/2，令所述的两个基片平移台601、602分别相对当前位置移动X1，X2，正值表示前进，负值表示后退；

6)重复第5步，直到计算出的X1，X2小于基片平移台601、602的最小移动步距或预设的最大容差，认为此时所述的待曝光光栅基片4已经到达目标曝光位置T，调整结束；

7)当所述的待曝光光栅基片4的曝光未完成时，返回步骤2)，当所述的待曝光光栅基片4已完成全部曝光时，进入下一步；

8)取出所述的待曝光光栅基片4，通过显影、去铬、烘干后得到光栅。

使用PI公司的行程100mm，最小步距4nm的精密位移台作为平移台6，安捷伦公司的分辨率0.32nm的干涉仪作为3轴激光干涉仪7，建立了本发明装置，实验表明，已制作出50mm宽，100mm长，周期562nm，条纹位置精度±5nm的光栅样品。