一种可控周期和方向的干涉光刻系统的制作方法

本发明属于半导体微纳加工光刻技术领域，具体涉及一种可控周期和方向的干涉光刻系统，应用该系统可以快速的实现百纳米周期光栅线条的制备。

背景技术

光的干涉现象是光的波动性的表现，众多光学测量仪器都是利用了光的干涉原理。光发生干涉后光的能量在空间上重新分布，从而有了干涉条纹的生成。

近年来，投影曝光技术和电子束等技术一次又一次地打破了最小尺寸的记录，微纳加工技术的发展使得我们能制造出尺寸更小，精度更高，结构更复杂的器件。通常采用电子束曝光+离子束刻蚀的方法来制备集成偏振光栅，但其设备昂贵、工艺周期长、生产效率低下、无法实现大面积制备的问题，严重限制了偏振光栅的发展与应用。

干涉光刻是利用双光束或者多光束干涉生成明暗相间的条纹在光刻胶上曝光，通过显影等一系列工艺，将干涉产生的图形转移到衬底表面。其特点是无需掩膜版，直接作用于衬底表面，操作简单，适合于大面积大视场的加工，干涉光刻理论上最小制作衬底图形的周期可以到λ/2。

技术实现要素：

本发明是提供一种可控周期和方向的干涉光刻光路系统，通过调节入射角的大小，入射光与基片的相对空间位置，通过一次曝光或多次曝光，结合现有的半导体刻蚀工艺，可用于快速制备大面积周期光栅，也可用于制备像素级偏振光栅阵列。

为实现上述目的，本发明提供一种方案如下：

一种可控周期和方向的干涉光刻系统，包括激光器、快门、第一反射镜、第二反射镜、光阑、第三反射镜、分束镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、掩模板、基片、工件台和计算机控制系统，激光器被第一反射镜反射后经扩束滤波准直模块准直成平行光束，光束经第二反射镜、第三反射镜两次反射后传播方向垂直向下，然后被分束镜分成两束等振幅的相干光束；反射光束经第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜三次反射，透射光束经第七反射镜、第八反射镜两次反射，最终在基片上实现不同角度的会聚并发生干涉；位于基片上方位置的掩模板紧贴着基片，基片放置在工件台上，分束镜和第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜可围绕垂直轴线转动。通过机械臂控制横向移动第六反射镜、第八反射镜的位置并调节第六反射镜、第八反射镜的角度，使得在基片的z向高度不变的情况下，可实现不同周期不同方向的干涉条纹。

其中，所述激光器为he-cd气体激光器，输出波长为325nm。

其中，扩束滤波准直模块由紫外聚焦物镜、针孔和准直镜组组成。

其中，分束镜和第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜同时绕ab轴线转动，第六反射镜、第八反射镜固定在机械臂上作相向移动和平面上的一维转动，用于调节两束光的入射角度。

其中，通过灵活控制光路系统中整体转动和部分反射镜的水平移动，改变干涉方向和干涉条纹周期，达到获得任意角度任意周期偏振光栅的目的。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明装置简便灵活易调，与其他微纳加工技术相比成本低廉。

(2)本发明可大面积快速制备亚波长光栅，与电子束刻蚀制备亚波长光栅相比，本发明所述方法所需时间极大减少，结合精密工件台控制技术，可实现大面积周期光栅的制备。

(3)本发明结合像素级透光阵列掩模，可实现大面积像素级偏振光栅阵列的制备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1为一种可控周期和方向的干涉光刻系统光路图；

图2为光束干涉角度变换具体示意图；

图3为该系统可制备的像素级偏振光栅阵列示意图。

图中：1为激光器，2为快门，3为第一反射镜，4为紫外聚焦物镜，5为针孔，6为准直镜，7为第二反射镜，8为光阑，9为第三反射镜，10为分束镜，11为第四反射镜，12为第五反射镜，13为第六反射镜，14为第七反射镜，15为第八反射镜，16为掩模板，17为基片，18为工件台，19为计算机控制系统。

具体实施方式

本发明提出一种325nm波长激光制备光栅的方法，通过对光路的灵活控制，达到灵活改变干涉角的目的，从而实现可控周期和方向的光栅的制备。为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图做进一步的详细描述。

参见图1，为本发明实施的一种可控周期和方向的干涉光刻系统光路示意图。其系统主要包括激光器1、快门2、第一反射镜3、紫外聚焦物镜4、针孔5、准直镜6、第二反射镜7、光阑8、第三反射镜9、分束镜10、第四反射镜11、第五反射镜12、第六反射镜13、第七反射镜14、第八反射镜15、掩模板16、基片17、工件台18和计算机控制系统19；

激光器1发出光束被第一反射镜3反射后经由紫外聚焦物镜4、针孔5、准直镜6组成的扩束滤波准直模块准直成平行光束，光束经第二反射镜7、第三反射镜9两次反射后传播方向垂直向下，然后被分束镜10分成两束等振幅的相干光束：反射光束经第四反射镜(m4)11、第五反射镜(m5)12、第六反射镜(m6)13三次反射，透射光束经第七反射镜(m7)14、第八反射镜(m8)15两次反射，最终在基片17上实现不同角度的会聚并发生干涉：位于基片17上方位置的掩模板16紧贴着基片，基片放置在工件台18上。所述系统还可以包括一系列未在图1中体现的光阑，对光路进行滤波。

分束镜10和第四反射镜11、第五反射镜12、第六反射镜13、第七反射镜14、第八反射镜15可围绕垂直轴线ab同时转动。通过机械臂控制横向移动第六反射镜(m6)13、第八反射镜(m8)15的位置并调节第六反射镜(m6)13、第八反射镜(m8)15的角度，使得在基片17的z向高度不变的情况下，可获得不同周期不同方向的干涉条纹。

两束波长为λ，强度同为i0的平面波以角度±θ对称地入射到同一平面上，在该平面上的光强度分布为：

i2-beam(x)＝2i0[1+cos(2kxsinθ)](1)

其中，k为波矢量，x表示干涉面与入射面相交线方向到原点的距离。

干涉条纹的周期为：

假设入射角的改变区间为[θ1,θ2]，则可制备的光栅的周期范围为[λ/2sinθ2，λ/2sinθ1]。

当光源的波长确定时，光栅的周期由入射角θ这个变量完全决定。在本实施案例中，为了保证干涉面高度固定，使得该系统更加的简便和操控，本发明采用了灵活控制反射镜的平动和转动的方法。

参见图2，第五反射镜(m5)12、第六反射镜(m6)13、第七反射镜(m7)14、第八反射镜(m8)15在同一水平线上，若第五反射镜(m5)12、第六反射镜(m6)13、第七反射镜(m7)14、第八反射镜(m8)15到基片17的高度为h，假设入射角的取值为θ，当h确定时，由几何几关系可知：

l＝h*tanθ(3)

由此可以得到第六反射镜(m6)13、第八反射镜(m8)15的平动距离为：

△x＝h(tanθ2-tanθ)(4)

并且入射角变化量δθ与反射镜的转动角度δα存在如下关系：

根据高度h和所需要的光栅周期d，可以得到第六反射镜(m6)13、第八反射镜(m8)15的相向(反向)平动距离和旋转角度。因此通过计算机控制系统19操控第六反射镜(m6)13、第八反射镜(m8)15，可以实现光栅周期可控的目的。

分束镜10和第四反射镜(m4)11、第五反射镜(m5)12、第六反射镜(m6)13、第七反射镜(m7)14、第八反射镜(m8)15可围绕垂直轴线ab转动，这样可控制入射面围绕法线旋转，从而可以实现工件台无需转动的情况下，结合像素级在同一基片中制备不同偏振方向的周期光栅的目的。

参见图3，结合像素级阵列孔透光掩模，可制备的像素级偏振光栅阵列如图3所示。