一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其是可以在定位样品中的单量字点位置后，直接切换至直写光刻功能，达到很好衔接的光刻系统。为了实现在定位量子点后直接进行微纳结构的制作，需要这样一套结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统。这套系统在探测端使用单光子探测器以及单光子计数板卡组合而成的单光子探测系统，并记录坐标，能够实现激光直写的加工功能，又能完成量子点的泵浦与探测，还能将这两个功能有机的结合起来。

【技术实现步骤摘要】
一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统及其方法
本专利技术涉及激光直写、单量字点定位、单光子HBT实验、自动控制
，特别是一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统及方法。
技术介绍
单光子源是量子通讯等激动人心的研究领域的关键的器件，相较于外延量子点、单分子等单光子源解决方案，基于胶体量子点的单光子源有着能工作于室温、效率高、稳定等很多重要优点；但是也存在着荧光闪烁效应以及制作时定位困难等缺陷。在使用胶体量子点作为发光材料的单光子源器件制备中，遇到的一大难点就是量子点的定位。因为胶体量子点都是使用化学方法合成的，在器件制备过程中需要使用旋涂或者拖拉等方法来将胶体量子点涂布于器件上，这一过程中胶体量子点是随机地在器件上进行分布的。又因为要制备单光子源，需要使用单胶体量子点，所以胶体量子点在器件上的密度会很低，无法通过直接批量制作器件来概率性覆盖量子点的方法来制作。所以在制作基于胶体量子点的单光子器件的过程中，需要一种精确的量子点定位技术。我们所采用的方案，是开发一套联合单量子点定位功能的激光直写无掩模光刻系统来进行胶体量子点的定位与结构制作。在目前的微纳加工领域，光刻是非常关键也是非常重要的一步工艺。它直接决定了我们所设计的图形能不能准确的转移到样品基片上。光刻从形式上可以分为两大类，有掩模光刻和无掩模光刻。无掩模光刻技术，顾名思义，在光刻过程中不需要掩模的参与，直接将图形写到光刻胶上。掩模版本身也是通过无掩模光刻技术来制作的，所以无掩模光刻技术的精度决定了有掩模光刻技术的精度。无掩模光刻技术按照光源可以分为电子束直写，离子束直写，光学无掩模光刻等。光学无掩模光刻是使用光源按照输入的版图直接照射光刻胶的技术方案，常见的有全息曝光、SLM(空间光调制器)无掩模光刻，激光直写等。激光直写技术通过透镜系统将蓝紫激光聚焦后，照射到涂布光刻胶的样品表面，再由程序控制移动光源透镜或是样品来完成图形。激光直写的优势在于与有掩模常规光刻可以使用同样的光刻胶及工艺，兼容性较好。目前国内外所开发的激光直写设备一般都是通用的无掩模光刻系统，而对于基于单胶体量子点的单光子结构来说，所需要的是带量子点定位功能的激光直写系统，希望能把样品放置于机器上，完成找点定位后，直接切换至直写光刻功能，实现带定位的量子点单光子结构与器件的制作。所以针对这一需求，我们提出了一套结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统。
技术实现思路
本专利技术目的在于提出一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其是可以在定位样品中的单量字点位置后，直接切换至直写光刻功能，达到很好衔接的光刻系统。为了实现在定位量子点后直接进行微纳结构的制作，需要这样一套结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统。这套系统在探测端使用单光子探测器以及单光子计数板卡组合而成的单光子探测系统，并记录坐标，能够实现激光直写的加工功能，又能完成量子点的泵浦与探测，还能将这两个功能有机的结合起来。本专利技术提出了一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，包括：单光子反聚束测试光路系统，利用红外激光器发出的红外激光在样品上所成的像，将所述样品自动对焦至显微物镜的焦平面，并利用所述显微物镜以及红外激光器发出的红外激光激发样品上的量子点发光，进而定位得到样品上的单量子点坐标；控制器系统，其用于控制所述样品的移动，并根据所述单光子反聚束测试光路系统得到的单量子点坐标编写激光直写版图文件；激光直写曝光光路系统，利用红外激光器发出的红外激光在样品上所成的像，将所述样品自动对焦至显微物镜的焦平面，并根据所述激光直写版图文件和紫光激光器发出的紫光对所述样品进行激光直写，以将所述激光直写版图文件的图形转移到样品表面的光刻胶上。本专利技术还提出了一种利用上述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统进行激光直写曝光光刻方法，其包括：步骤1、将三维电控平移台(14)复位，在三维电控平移台(14)上放置并固定好已旋涂光刻胶的样品(5)；步骤2、打开红光激光器(6)，然后将三维电控平移台(14)的Z轴上升到显微物镜(4)焦平面附近；步骤3、正式对样品(5)曝光前，使用控制器(16)记录三维电控平移台(14)的Z轴处在显微物镜(4)焦平面附近不同高度处，由CCD(15)收集到的多幅图像，将所述多幅图像及所述样品(5)与显微物镜(4)焦平面的相对位置合并存储为聚焦控制图像集；步骤4、正式曝光中，使用所述聚焦控制图像集将样品(5)自动对焦，使样品(5)移动至显微物镜(4)的焦平面处；步骤5、打开紫光激光器(1)，打开电子快门(2)，所述紫光激光器发出的紫光经过所述激光直写曝光光路系统中的光路聚焦到样品(5)上，由控制器(16)根据所述激光直写版图文件中的图形，驱动三维电控平移台(14)在显微物镜(4)的焦平面上沿XY轴进行划线移动，使得样品(5)上被紫光激光聚焦照射到的部分被曝光直写；步骤6、对样品(5)进行显影，完成激光直写曝光光刻过程。本专利技术还提出了一种利用上述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统定位单量子点的方法，包括：：步骤1、将三维电控平移台(14)复位，在三维电控平移台(14)上放置并固定好已旋涂光刻胶的样品(5)；步骤2、打开红光激光器(6)，然后将三维电控平移台(14)的Z轴上升到显微物镜(4)焦平面附近；步骤3、使用控制器(16)记录三维电控平移台(14)的Z轴处在显微物镜(4)焦平面附近不同高度处，由CCD(15)收集到的多幅图像，将所述多幅图像及所述样品(5)与显微物镜(4)焦平面的相对位置合并存储为聚焦控制图像集；步骤4、利用所述聚焦控制图像集将样品(5)自动对焦，使样品(5)移动至显微物镜(4)的焦平面处；步骤5、由控制器(16)驱动三维电控平移台(14)在显微物镜(4)的焦平面上沿XY轴进行扫描，扫描过程中聚焦在所述红外激光发出的红外激光激发样品(5)的量子点发光，量子点所发的光经过单光子反聚束测试光路系统后被送入单光子探测器对(12)，并由单光子探测器对(12)对所述量子点发的光的强度信号进行监测；步骤6、当单光子探测器对(12)中检测到强度信号时，停下三维电控平移台(14)，并开始使用计数板卡(13)进行二阶相干函数测量，如果出现典型的单光子反聚束测试实验二阶相干函数曲线，则记录下所述三维电控平移台(14)此时的坐标，该坐标即为当前检测到的单量子点坐标；步骤7、以所检测到的单量子点坐标为依据编写激光直写版图文件。本专利技术提出了一种利用上述的激光直写光刻系统进行单量子定位并进行激光直写曝光光刻的方法，其包括：步骤1、将三维电控平移台(14)复位，在三维电控平移台(14)上放置并固定好已旋涂光刻胶的样品(5)；步骤2、打开红光激光器(6)，然后将三维电控平移台(14)的Z轴上升到显微物镜(4)焦平面附近；步骤3、使用控制器(16)记录三维电控平移台(14)的Z轴处在显微物镜(4)焦平面附近不同高度处，由CCD(15)收集到的多幅图像，将所述多幅图像及所述样品(5)与显微物镜(4)焦平面的相对位置合并存储为聚焦控制图像集；步骤4、利用所述聚焦控制图像集将样品(5)自动对焦，使样品(5)移动至显微物镜(4)的焦平面处；步骤5、由控制器(16)驱动三维电控平移台(14)在显微物镜(4)的焦平面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，包括：单光子反聚束测试光路系统，利用红外激光器发出的红外激光在样品上所成的像，将所述样品自动对焦至显微物镜的焦平面，并利用所述显微物镜以及红外激光器发出的红外激光激发样品上的量子点发光，进而定位得到样品上的单量子点坐标；控制器系统，其用于控制所述样品的移动，并根据所述单光子反聚束测试光路系统得到的单量子点坐标编写激光直写版图文件；激光直写曝光光路系统，利用红外激光器发出的红外激光在样品上所成的像，将所述样品自动对焦至显微物镜的焦平面，并根据所述激光直写版图文件和紫光激光器发出的紫光对所述样品进行激光直写，以将所述激光直写版图文件的图形转移到样品表面的光刻胶上。

【技术特征摘要】
1.一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，包括：单光子反聚束测试光路系统，利用红光激光器发出的红光激光在样品上所成的像，将所述样品自动对焦至显微物镜的焦平面，并利用所述显微物镜以及红光激光器发出的红光激光激发样品上的量子点发光，进而定位得到样品上的单量子点坐标；控制器系统，其用于控制所述样品的移动，并根据所述单光子反聚束测试光路系统得到的单量子点坐标编写激光直写版图文件；激光直写曝光光路系统，利用红光激光器发出的红光激光在样品上所成的像，将所述样品自动对焦至显微物镜的焦平面，并根据所述激光直写版图文件和紫光激光器发出的紫光对所述样品进行激光直写，以将所述激光直写版图文件的图形转移到样品表面的光刻胶上；其中，所述单光子反聚束测试光路系统包括：波长700nm以上高反镜(8)，用于反射样品(5)发出的光；收集透镜(9)，用于收集经由波长700nm以上高反镜(8)反射的样品发出的光，并将其耦合入光纤(10)中；光纤(10)，用于传输经收集透镜耦合的光；光纤分束器(11)，把经由收集透镜(9)耦合入光纤的光耦合到两路输出光纤中；单光子探测器对(12)，由两个完全相同的单光子探测器组成，分别接收由光纤分束器(11)输入的两路光，并对其进行单光子探测，每探测一个单光子，就输出一个电脉冲信号；单光子计数板卡(13)，用于接收单光子探测器对(12)输出的电脉冲信号，并对其进行处理获得单量子点的坐标。2.根据权利要求1所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其中所述激光直写曝光光路系统包括：紫光激光器(1)，用于产生波长在300nm-450nm范围内的紫光；电子快门(2)，用于控制紫光的通过与否；红光激光器(6)，用于产生波长在600nm-700nm范围内红光激光；第一半透半反镜(3)，用于透射通过所述电子快门的部分紫光，并反射被样品(5)反射后被显微物镜(4)收集的紫光和红光激光；第二半透半反镜(7)，用于反射红光激光器(6)发出的红光红光激光，将其输入至显微物镜(4)，同时反射被第一半透半反镜(3)反射后的紫光和红光激光，将其送入CCD(15)进行成像；显微物镜(4)，用于将透过所述第一半透半反镜(3)紫光聚焦到样品(5)上，并将红光激光器(6)产生的红光激光聚焦到样品上；同时聚焦到样品上的紫光和红光激光被样品(5)反射后，由所述显微物镜(4)所收集；三维电控平移台(14)，用于承载样品(5)，并在控制器系统的控制下在三维平面内移动所述样品(5)；CCD(15)，用于获取入射的光线并对其进行成像。3.根据权利要求1所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其中控制器系统包括：一控制器(16)，用于控制电子快门(2)的开启与闭合，收集CCD(15)所成的像并进行分析，控制三维电控平移台(14)的移动，并采集计数板卡(13)获取的信息并进行分析。4.根据权利要求1所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其中所述激光直写曝光光路系统中光路走向包括以下两种：第一种光路走向：由紫光激光器(1)发出用于对样品(5)表面的光刻胶感光的紫光后，经过电子快门(2)，穿过第一半透半反镜(3)，通过显微物镜(4)后聚焦在样品(5)上；而后聚焦光斑被样品(5)反射后通过显微物镜(4)收集，被第一半透半反镜(3)反射后，穿过波长700nm以上高反镜(8)与第二半透半反镜(7)后，入射进CCD(15)；第二种光路走向：由红光激光器(6)发出用于自动对焦的红光激光后，被第二半透半反镜(7)反射，穿过波长700nm以上高反镜(8)后，再被第一半透半反镜(3)反射，通过显微物镜(4)后聚焦在样品(5)上；而后聚焦光斑被样品(5)反射后通过显微物镜(4)收集，被第一半透半反镜(3)反射，穿过波长700nm以上高反镜(8)与第二半透半反镜(7)后，入射进CCD(15)。5.根据权利要求1所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其中单光子反聚束测试光路系统中的光路走向包括：聚焦在样品(5)上的红光激光激发样品(5)上的量子点发光；样品(5)上的量子点发的光通过显微物镜(4)收集，并被第一半透半反镜(3)反射，再被波长700nm以上高反镜(8)反射，通过收集透镜(9)收集后耦合进光纤(10)中，再经过光纤分束器(11)，光被分配到两路输出光纤中，最后分别送入单光子探测器对(12)中，用于探测是否为单量子点发出的单光子。6.根据权利要求1所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统，其中，所述样品上的量子点材料的发光波长大于等于800nm，包括：CdSe胶体量子点；PbS、PbSe胶体量子点；InGaAs量子点；InP和GaN量子点材料。7.一种利用权利要求2所述的结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统进行激光直写曝光光刻方法，所述控制器系统包括：控制器(16)，用于控制电子快门(2)的开启与闭合，收集CCD(15)所成的像并进行分析，控制三维电控平移台(14)的移动，并采集计数板卡(13)获取的信息并进行分析；所述方法包括：步骤1、将三维电控平移台(14)复位，在三维电控平移台(14)上放置并固定好已旋涂光刻胶的样品(5)；步骤2、打开红光激光器(6)，然后将三维电控平移台(14)的Z轴上升到显微物镜(4)焦平面附近；步骤3、正式对样品(5)曝光前，使用控制器(16)记录三维电控平移台(14)的Z轴处在显微物镜(4)焦平面附近不同高度处，由CCD(15)收集到的多幅图像，将所述多幅图像及所述样品(5)与显微物镜(4)焦平面的相对...

【专利技术属性】
技术研发人员：许兴胜，高永浩，黄昕楠，黎星云，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11