全光纖激光干涉光刻設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光刻領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及使用光纖分束器的全光纖激光干涉光刻設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的激光干涉光刻系統(tǒng)使用玻璃分束器在自由空間中將原始的相關(guān)激光束進(jìn)行分束。最初的激光束和分束后的激光束通常都在自由空間中傳播。這種光學(xué)裝置需要非常耗時(shí)的精確對(duì)準(zhǔn)。改變干涉圖案、尤其是改變周期要求整個(gè)光學(xué)裝置的重新對(duì)準(zhǔn)。此外，激光在自由空間中傳播易受諸如空氣流或空氣波動(dòng)之類的環(huán)境微擾。
[0003]干涉光刻是一種在覆蓋大面積的陣列亞微米結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)圖的技術(shù)。將兩束或多束相干光波的干涉記錄到光致抗蝕劑上來產(chǎn)生多種規(guī)則周期性圖案的結(jié)構(gòu)，包括光柵、孔洞、柱、錐體和格子。當(dāng)將相干激光束分束為兩個(gè)或多個(gè)束、然后在一定的區(qū)域組合并且重疊時(shí)，將形成光柵或光點(diǎn)的規(guī)則光強(qiáng)度圖案。通過這些光強(qiáng)度圖案對(duì)光致抗蝕劑材料進(jìn)行曝光，并且在顯影之后記錄干涉圖案。這種光刻技術(shù)允許使用較短的曝光時(shí)間實(shí)現(xiàn)大面積襯底的無掩模構(gòu)圖。干涉光刻可以高生產(chǎn)率和低成本地在較大面積上產(chǎn)生周期性納米結(jié)構(gòu)，因此在新興的能量、感測(cè)、發(fā)光和其他應(yīng)用中起到重要的作用。周期性圖案的應(yīng)用包括分布反饋(DFB)激光器、場(chǎng)發(fā)射顯示器(FED)、液晶顯示器(LCD)、先進(jìn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用、光柵、度量標(biāo)準(zhǔn)和Moth-Eye亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(SWS)。
[0004]干涉光刻是以低成本在大面積上產(chǎn)生周期性結(jié)構(gòu)的最常用方法。兩個(gè)相干光波之間的干涉是眾所周知的現(xiàn)象，其可以通過兩種不同的方案產(chǎn)生周期性圖案，即勞埃德(Lloyd)反射鏡結(jié)構(gòu)和雙束全息成像結(jié)構(gòu)。由于不相等的光束路徑和非完美反射鏡，勞埃德反射鏡結(jié)構(gòu)局限于具有中等圖案質(zhì)量的小構(gòu)圖面積，盡管可以通過旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)以改變激光束入射角度來容易地調(diào)節(jié)圖案周期性。雙束全息成像裝置已經(jīng)證明了較高的圖案質(zhì)量和較大的構(gòu)圖面積，但是在雙束全息成像裝置中改變圖案周期性將要求沿兩個(gè)分離的光束對(duì)光學(xué)部件重新排列和重新對(duì)準(zhǔn)，這是非常耗時(shí)并且具有挑戰(zhàn)性的，尤其是對(duì)于小于300nm的周期。雙束全息成像裝置的另一個(gè)挑戰(zhàn)是兩個(gè)分離的光束可能經(jīng)歷不同的環(huán)境波動(dòng)和它們路徑上的空氣擾動(dòng)，導(dǎo)致了可能使襯底上的干涉圖案模糊的相位噪聲。
[0005]CN103092002A描述了一種激光干涉光刻系統(tǒng)，但是CN103092002A使用分立的光學(xué)元件進(jìn)行激光光束的分束和傳播。
[0006]US6522433B2描述了一種使用holey光纖的干涉光刻技術(shù)。該專利使用具有軸向形成的孔洞的光纖來傳遞激光束進(jìn)行干涉光刻。然而，US6522433B仍然在自由空間中進(jìn)行光束分束，并且在US6522433B2中使用的專用光纖增加了成本。(與此相對(duì)應(yīng)的是，本發(fā)明使用光纖分束器進(jìn)行光束分束，并且還使用普通的保偏單模光纖進(jìn)行光傳輸)。
[0007]US8582079B2描述了一種干涉光刻系統(tǒng)，但是其技術(shù)方案同樣是在自由空間中進(jìn)行光的傳播，并且利用分立光學(xué)元件進(jìn)行光束的分束和傳播。
[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)報(bào)道了基于勞埃德反射鏡的干涉光刻系統(tǒng)，但是他們主要用于具有低或者中等質(zhì)量的小面積光柵構(gòu)圖，不能用于大面積高質(zhì)量的周期性圖案的光刻。
[0009]迄今為止，報(bào)道的用于對(duì)大面積高質(zhì)量光柵或光點(diǎn)圖案進(jìn)行構(gòu)圖的干涉光刻系統(tǒng)全都是自由空間雙束干涉光刻系統(tǒng)。由于裝配系統(tǒng)所要求的困難和專業(yè)性以及頻繁地重新對(duì)準(zhǔn)光束，這些系統(tǒng)只存在一些主要的研究機(jī)構(gòu)而沒有商用。自由空間雙束干涉光刻系統(tǒng)用于大面積高質(zhì)量周期性圖案的制造。但是自由空間雙束干涉的裝配、對(duì)準(zhǔn)和維護(hù)要求專門的技術(shù)，并且限制了它們?cè)诖竺娣e周期性納米結(jié)構(gòu)構(gòu)圖的新興領(lǐng)域的商業(yè)使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的要解決的技術(shù)問題是在光刻時(shí)改變干涉圖案、尤其是改變周期要求整個(gè)光學(xué)裝置的重新對(duì)準(zhǔn)；此外，激光在自由空間中傳播易受諸如空氣流或空氣波動(dòng)之類的環(huán)境微擾，從而使得干涉圖案質(zhì)量下降。
[0011]本發(fā)明通過使用基于光纖的部件來分束和傳播相干激光束來解決上述技術(shù)問題:從激光源出射的光立即耦合到光纖中，所述光纖提供對(duì)于環(huán)境微擾的良好隔離；使用光纖和光纖分束器來對(duì)激光束進(jìn)行傳遞和分束實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)裝置的自由重新配置；通過簡(jiǎn)單地移動(dòng)和重新定位光纖輸出，可以調(diào)節(jié)重疊激光束之間的角度以改變干涉圖案的周期性。本發(fā)明還通過對(duì)出射的相位進(jìn)行檢測(cè)，并且基于檢測(cè)結(jié)果來進(jìn)行相位補(bǔ)償。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種全光纖激光干涉光刻設(shè)備，包括:
[0013]輸入耦合光纖，配置為將來自激光光源的相干激光光束耦合至光纖分束器；
[0014]光纖分束器，配置為將來自輸入耦合光纖的相干激光分束為至少兩個(gè)子激光束，并且通過兩個(gè)或多個(gè)輸出耦合光纖輸出所述子激光束；
[0015]調(diào)節(jié)單元，配置為固定所述輸出耦合光纖，并且調(diào)節(jié)所述輸出耦合光纖的位置和角度，以調(diào)節(jié)照射到襯底上的子激光束；
[0016]相位檢測(cè)器，位于襯底和移動(dòng)臺(tái)上，配置為實(shí)時(shí)檢測(cè)子激光束的相位變化；以及
[0017]支撐襯底的樣品臺(tái)，基于檢測(cè)到的相位變化對(duì)調(diào)節(jié)單元進(jìn)行反饋控制，從而對(duì)相位擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提出了一種全光纖激光干涉光刻方法，包括:
[0019]通過輸入耦合光纖將來自激光光源的相干激光光束耦合至光纖分束器；
[0020]通過光纖分束器將來自輸入耦合光纖的相干激光分束為至少兩個(gè)子激光束，并且通過兩個(gè)或多個(gè)輸出耦合光纖輸出所述子激光束；
[0021]通過調(diào)節(jié)單元固定所述輸出耦合光纖，并且調(diào)節(jié)所述輸出耦合光纖的位置和角度，以調(diào)節(jié)照射到襯底上的子激光束；
[0022]通過位于襯底和移動(dòng)臺(tái)上的相位檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)子激光束的相位變化；以及
[0023]通過支撐襯底的樣品臺(tái)基于檢測(cè)到的相位變化對(duì)調(diào)節(jié)單元進(jìn)行反饋控制，從而對(duì)相位擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0024]通過把紫外/近紫外單頻激光器的激光耦合到保偏光纖后，經(jīng)過保偏光纖耦合器分為兩束，再在空間自由擴(kuò)束形成干涉條紋，用來曝光光刻膠，從而可以制作大面積納米結(jié)構(gòu)。目前沒有文獻(xiàn)報(bào)道這種方法，并且市場(chǎng)上也沒有類似產(chǎn)品。通過使用全光纖結(jié)構(gòu)，解決了以前自由空間系統(tǒng)的分束、準(zhǔn)直以及改變夾角(用于改變周期)方面的困難。
【附圖說明】
[0025]根據(jù)結(jié)合附圖的以下描述，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將變得易于理解，其中:
[0026]圖1示意性地說明了本發(fā)明的全光纖干涉光刻系統(tǒng)的原理圖；
[0027]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的全光纖激光干涉光刻設(shè)備的示意圖；
[0028]圖3示出了機(jī)械臂調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0029]圖4示出了弧形導(dǎo)軌調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0030]圖5示出了光纖準(zhǔn)直耦合器接收區(qū)域的光斑檢測(cè)示意圖；
[0031]圖6示出了利用本發(fā)明的全光纖激光干涉光刻設(shè)備和方法得到的樣品圖的SEM和AFM測(cè)量結(jié)果；以及
[0032]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的全光纖激光干涉光刻方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]現(xiàn)在對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例提供詳細(xì)參考，其范例在附圖中說明，圖中相同的數(shù)字全部代表相同的元件。為解釋本發(fā)明下述實(shí)施例將參考附圖被描述。
[0034]圖1示意性地說明了本發(fā)明所提出的全光纖干涉光刻系統(tǒng)的原理圖。將從405nm單頻紫外激光器輸出的激光束耦合到單模保偏光纖(PMF)中。PMF與1x2光纖分束器相連以獲得具有近似相等強(qiáng)度的兩個(gè)激光束。將與光纖分束器相連的輸出光纖的端面導(dǎo)引為朝著涂覆有光致抗蝕劑的襯底。因?yàn)樾⌒緟^(qū)直徑的單模光纖本質(zhì)上表現(xiàn)為空間光纖，優(yōu)選地，當(dāng)從光纖端面發(fā)射激光束時(shí)可以獲得圓形的高斯光束。通過調(diào)節(jié)光纖的位置和方向可以容易地實(shí)現(xiàn)將兩個(gè)激光束在襯底上重疊，同時(shí)旋轉(zhuǎn)輸出光纖可以沿垂直方向?qū)蓚€(gè)激光束的偏振進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，用于理想的干涉圖案產(chǎn)生。
[0035]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的全光纖激光干涉光刻設(shè)備的示意圖。如圖2所示，所述全光纖激光干涉光刻設(shè)備包括:激光光源；輸入耦合光纖，配置為將來自激光光源的相干激光光束耦合至光纖分束器；光纖分束器，配置為將來自輸入耦合光纖的相干激光分束為至少兩個(gè)子激光束，并且通過兩個(gè)或多個(gè)輸出耦合光纖輸出所述子激光束；調(diào)節(jié)單元(第一調(diào)節(jié)單元和第二調(diào)節(jié)單元)，配置為固定所述輸出耦合光纖，并且調(diào)節(jié)所述輸出耦合光纖的位置和角度，以調(diào)節(jié)照射到襯底上的子激光束；相位檢測(cè)器，位于襯底和移動(dòng)臺(tái)上，配置為實(shí)時(shí)檢測(cè)子激光束的相位變化；以及支撐襯底的樣品臺(tái)，基于檢測(cè)到的相位變化對(duì)調(diào)節(jié)單元進(jìn)行反饋控制，從而對(duì)相位擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0036]優(yōu)選地，所述激光光源可以是紫外/近紫外單頻激光器。所述激光光源可以與所述設(shè)備分離或者集成到所述設(shè)備中。
[0037]具體地,所述輸入f禹合光纖和輸出f禹合光纖均可以是單模保偏光纖。
[0038]優(yōu)選地，所述全光纖激光干涉光刻設(shè)備還包括控制器，配置為基于相位檢測(cè)器的信號(hào)來控制樣品臺(tái)移動(dòng)。
[0039]具體地，所述調(diào)節(jié)單元分別位于等長(zhǎng)的機(jī)械轉(zhuǎn)臂的一端，涂覆有光刻膠的襯底位于所述等長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂相交的另一端。圖3示出了調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)的示意圖。調(diào)節(jié)單元分別位于等長(zhǎng)的機(jī)械臂的兩端，所述機(jī)械臂的另一端的交叉點(diǎn)是需要曝光的襯底臺(tái)所處的位置?；谶@樣的機(jī)