全光纤激光干涉光刻设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光刻领域。更具体地，本发明涉及使用光纤分束器的全光纤激光干涉光刻设备和方法。
【背景技术】
[0002]目前的激光干涉光刻系统使用玻璃分束器在自由空间中将原始的相关激光束进行分束。最初的激光束和分束后的激光束通常都在自由空间中传播。这种光学装置需要非常耗时的精确对准。改变干涉图案、尤其是改变周期要求整个光学装置的重新对准。此外，激光在自由空间中传播易受诸如空气流或空气波动之类的环境微扰。
[0003]干涉光刻是一种在覆盖大面积的阵列亚微米结构进行构图的技术。将两束或多束相干光波的干涉记录到光致抗蚀剂上来产生多种规则周期性图案的结构，包括光栅、孔洞、柱、锥体和格子。当将相干激光束分束为两个或多个束、然后在一定的区域组合并且重叠时，将形成光栅或光点的规则光强度图案。通过这些光强度图案对光致抗蚀剂材料进行曝光，并且在显影之后记录干涉图案。这种光刻技术允许使用较短的曝光时间实现大面积衬底的无掩模构图。干涉光刻可以高生产率和低成本地在较大面积上产生周期性纳米结构，因此在新兴的能量、感测、发光和其他应用中起到重要的作用。周期性图案的应用包括分布反馈(DFB)激光器、场发射显示器(FED)、液晶显示器(LCD)、先进数据存储应用、光栅、度量标准和Moth-Eye亚波长结构(SWS)。
[0004]干涉光刻是以低成本在大面积上产生周期性结构的最常用方法。两个相干光波之间的干涉是众所周知的现象，其可以通过两种不同的方案产生周期性图案，即劳埃德(Lloyd)反射镜结构和双束全息成像结构。由于不相等的光束路径和非完美反射镜，劳埃德反射镜结构局限于具有中等图案质量的小构图面积，尽管可以通过旋转样品台以改变激光束入射角度来容易地调节图案周期性。双束全息成像装置已经证明了较高的图案质量和较大的构图面积，但是在双束全息成像装置中改变图案周期性将要求沿两个分离的光束对光学部件重新排列和重新对准，这是非常耗时并且具有挑战性的，尤其是对于小于300nm的周期。双束全息成像装置的另一个挑战是两个分离的光束可能经历不同的环境波动和它们路径上的空气扰动，导致了可能使衬底上的干涉图案模糊的相位噪声。
[0005]CN103092002A描述了一种激光干涉光刻系统，但是CN103092002A使用分立的光学元件进行激光光束的分束和传播。
[0006]US6522433B2描述了一种使用holey光纤的干涉光刻技术。该专利使用具有轴向形成的孔洞的光纤来传递激光束进行干涉光刻。然而，US6522433B仍然在自由空间中进行光束分束，并且在US6522433B2中使用的专用光纤增加了成本。(与此相对应的是，本发明使用光纤分束器进行光束分束，并且还使用普通的保偏单模光纤进行光传输)。
[0007]US8582079B2描述了一种干涉光刻系统，但是其技术方案同样是在自由空间中进行光的传播，并且利用分立光学元件进行光束的分束和传播。
[0008]Sun, Y.L.等人的 “Lloyd’ s mirror interferometer using a single-mode fiberspatial filter”, Journal of Vacuum Science&Techno 1 ogy B, 2013.31 (2)报道了基于劳埃德反射镜的干涉光刻系统，但是他们主要用于具有低或者中等质量的小面积光栅构图，不能用于大面积高质量的周期性图案的光刻。
[0009]迄今为止，报道的用于对大面积高质量光栅或光点图案进行构图的干涉光刻系统全都是自由空间双束干涉光刻系统。由于装配系统所要求的困难和专业性以及频繁地重新对准光束，这些系统只存在一些主要的研究机构而没有商用。自由空间双束干涉光刻系统用于大面积高质量周期性图案的制造。但是自由空间双束干涉的装配、对准和维护要求专门的技术，并且限制了它们在大面积周期性纳米结构构图的新兴领域的商业使用。
【发明内容】
[0010]本发明的要解决的技术问题是在光刻时改变干涉图案、尤其是改变周期要求整个光学装置的重新对准；此外，激光在自由空间中传播易受诸如空气流或空气波动之类的环境微扰，从而使得干涉图案质量下降。
[0011]本发明通过使用基于光纤的部件来分束和传播相干激光束来解决上述技术问题:从激光源出射的光立即耦合到光纤中，所述光纤提供对于环境微扰的良好隔离；使用光纤和光纤分束器来对激光束进行传递和分束实现了系统装置的自由重新配置；通过简单地移动和重新定位光纤输出，可以调节重叠激光束之间的角度以改变干涉图案的周期性。本发明还通过对出射的相位进行检测，并且基于检测结果来进行相位补偿。
[0012]根据本发明的一个方面，提出了一种全光纤激光干涉光刻设备，包括:
[0013]输入耦合光纤，配置为将来自激光光源的相干激光光束耦合至光纤分束器；
[0014]光纤分束器，配置为将来自输入耦合光纤的相干激光分束为至少两个子激光束，并且通过两个或多个输出耦合光纤输出所述子激光束；
[0015]调节单元，配置为固定所述输出耦合光纤，并且调节所述输出耦合光纤的位置和角度，以调节照射到衬底上的子激光束；
[0016]相位检测器，位于衬底和移动台上，配置为实时检测子激光束的相位变化；以及
[0017]支撑衬底的样品台，基于检测到的相位变化对调节单元进行反馈控制，从而对相位扰动进行补偿。
[0018]根据本发明的另一个方面，提出了一种全光纤激光干涉光刻方法，包括:
[0019]通过输入耦合光纤将来自激光光源的相干激光光束耦合至光纤分束器；
[0020]通过光纤分束器将来自输入耦合光纤的相干激光分束为至少两个子激光束，并且通过两个或多个输出耦合光纤输出所述子激光束；
[0021]通过调节单元固定所述输出耦合光纤，并且调节所述输出耦合光纤的位置和角度，以调节照射到衬底上的子激光束；
[0022]通过位于衬底和移动台上的相位检测器实时检测子激光束的相位变化；以及
[0023]通过支撑衬底的样品台基于检测到的相位变化对调节单元进行反馈控制，从而对相位扰动进行补偿。
[0024]通过把紫外/近紫外单频激光器的激光耦合到保偏光纤后，经过保偏光纤耦合器分为两束，再在空间自由扩束形成干涉条纹，用来曝光光刻胶，从而可以制作大面积纳米结构。目前没有文献报道这种方法，并且市场上也没有类似产品。通过使用全光纤结构，解决了以前自由空间系统的分束、准直以及改变夹角(用于改变周期)方面的困难。
【附图说明】
[0025]根据结合附图的以下描述，本发明的优点将变得易于理解，其中:
[0026]图1示意性地说明了本发明的全光纤干涉光刻系统的原理图；
[0027]图2示出了根据本发明实施例的全光纤激光干涉光刻设备的示意图；
[0028]图3示出了机械臂调节单元结构的示意图；
[0029]图4示出了弧形导轨调节单元结构的示意图；
[0030]图5示出了光纤准直耦合器接收区域的光斑检测示意图；
[0031]图6示出了利用本发明的全光纤激光干涉光刻设备和方法得到的样品图的SEM和AFM测量结果；以及
[0032]图7示出了根据本发明的全光纤激光干涉光刻方法的流程图。
【具体实施方式】
[0033]现在对本发明的实施例提供详细参考，其范例在附图中说明，图中相同的数字全部代表相同的元件。为解释本发明下述实施例将参考附图被描述。
[0034]图1示意性地说明了本发明所提出的全光纤干涉光刻系统的原理图。将从405nm单频紫外激光器输出的激光束耦合到单模保偏光纤(PMF)中。PMF与1x2光纤分束器相连以获得具有近似相等强度的两个激光束。将与光纤分束器相连的输出光纤的端面导引为朝着涂覆有光致抗蚀剂的衬底。因为小芯区直径的单模光纤本质上表现为空间光纤，优选地，当从光纤端面发射激光束时可以获得圆形的高斯光束。通过调节光纤的位置和方向可以容易地实现将两个激光束在衬底上重叠，同时旋转输出光纤可以沿垂直方向将两个激光束的偏振进行对准，用于理想的干涉图案产生。
[0035]图2示出了根据本发明实施例的全光纤激光干涉光刻设备的示意图。如图2所示，所述全光纤激光干涉光刻设备包括:激光光源；输入耦合光纤，配置为将来自激光光源的相干激光光束耦合至光纤分束器；光纤分束器，配置为将来自输入耦合光纤的相干激光分束为至少两个子激光束，并且通过两个或多个输出耦合光纤输出所述子激光束；调节单元(第一调节单元和第二调节单元)，配置为固定所述输出耦合光纤，并且调节所述输出耦合光纤的位置和角度，以调节照射到衬底上的子激光束；相位检测器，位于衬底和移动台上，配置为实时检测子激光束的相位变化；以及支撑衬底的样品台，基于检测到的相位变化对调节单元进行反馈控制，从而对相位扰动进行补偿。
[0036]优选地，所述激光光源可以是紫外/近紫外单频激光器。所述激光光源可以与所述设备分离或者集成到所述设备中。
[0037]具体地,所述输入f禹合光纤和输出f禹合光纤均可以是单模保偏光纤。
[0038]优选地，所述全光纤激光干涉光刻设备还包括控制器，配置为基于相位检测器的信号来控制样品台移动。
[0039]具体地，所述调节单元分别位于等长的机械转臂的一端，涂覆有光刻胶的衬底位于所述等长转臂相交的另一端。图3示出了调节单元结构的示意图。调节单元分别位于等长的机械臂的两端，所述机械臂的另一端的交叉点是需要曝光的衬底台所处的位置。基于这样的机