模块化的激光直刻装置制造方法及图纸

一种模块化的激光直刻装置，整套装置采用模块化设计，由激光调制模块、光点扫描模块、激光功率检测模块、自动聚焦模块、控制和检测模块构成。系统将激光器发出的平行激光会聚成光点聚焦在待刻写的样品表面，利用计算机控制射向样品表面的激光强度的同时控制样品移动，即可在样品表面形成具有灰度分布的二维图形。本发明专利技术可以在不需掩模的情况下直接在光或热阻薄膜材料表面形成纳米构造，具有加工周期短、灵活性高、适用范围广、模块化程度高、加工精度高、可扩展性强等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米加工领域，特别是一种模块化的激光直刻装置。
技术介绍
目前正沿着紫外一深紫外一极紫外的技术路线快速地发展光刻技 术，在一定程度上满足了微纳器件的特征尺度进一歩縮小的要求。然而， 由于产品的个性化、小批量和更新周期变短所导致的掩模费用占总成本 比例不断飞升的问题，仍然困扰着半导体行业。纳米无掩模光刻技术是一种无需掩模的光刻技术，在计算机的控制 下可直接在光或热阻薄膜材料上形成数十纳米级任意形状的纳米构造， 通过模式反转技术可获得导体、半导体和绝缘体的相应构造，可以在纳 米电极、纳米电路、生物医疗纳米器件、超大规模电路的纳米特征尺度掩膜、微电子机械系统(MEMS)器件、二元光学器件等领域获得广泛 应用。纳米无掩模光刻技术迎合了微纳器件制造的发展趋势，能克服目 前光刻技术由于掩模成本不断增加所带来的困难。在先技术中，有一种激光直接写入式集成电路制造系统(参见专利技术 专利"激光直接写入式集成电路制造系统"，申请号911016414)。该系 统中采用旋转多棱镜改变光路的方向，而后通过f- e透镜将光束会聚成 光点进行扫描刻写。该系统有相当的优点，但应用范围较为狭窄，仅能 用在集成电路制造中，此外还有如下不足1、 f-e透镜系统的扫描范围大时，聚焦光点也较大；聚焦光点小时，扫描范围也小，二者无法兼顾，限制了此系统的应用范围。2、 系统中没有自动聚焦模块，难以保证样品表面始终位于物镜焦深范围内，继而无法保证刻写精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种模块化的激光直刻装置，它应具有模块化程度高、加工周期短、灵活性高、适用范 围广、加工精度高和扩展性强等特点。 本专利技术的基本构思是一种模块化的激光直刻装置，整套装置采用模块化设计，由激光调 制模块、光点扫描模块、激光功率检测模块、自动聚焦模块、控制和检 测模块构成。系统将激光器发出的平行激光会聚成光点聚焦在待刻写的 样品表面，在控制射向样品表面的激光强度的同时控制样品移动，即可 在样品表面形成具有灰度分布的二维图形。本专利技术的技术解决方案如下一种模块化的激光直刻装置，其特征在于它由激光调制模块、光点 扫描模块、激光功率检测模块、自动聚焦模块和控制检测模块构成所述的激光调制模块包括激光器和置于该激光器的出射激光方向上 的声光调制器、第一偏振分光镜、第一四分之一波片、扩束镜，其中第 一四分之一波片的长轴方向和入射光的偏振方向成45。，第一偏振分光 镜和第一四分之一波片构成光隔离器；所述的光点扫描模块包括光谱分光镜、物镜压电陶瓷驱动器、显微 物镜、待写样品、二维纳米平台和一维电动平移台，所述的显微物镜固 定在所述的物镜压电陶瓷驱动器上，待写样品固定在所述的二维纳米平 台上，该二维纳米平台又固定在一维电动平移台上；所述的激光功率检测模块包括会聚透镜和光功率探测器；所述的自动聚焦模块由半导体激光器、第二四分之一波片、第二偏 振分光镜、滤光片、球面会聚透镜、柱面会聚透镜和四象限光电探测器 组成，所述的第二四分之一波片、第二偏振分光镜、滤光片、球面会聚 透镜、柱面会聚透镜和四象限光电探测器与所述的光谱分光镜(201)、 显微物镜、待写样品同光轴；所述控制和检测模块包括一台计算机，该计算机的输入端分别与光 功率探测器的输出端和四象限光电探测器的输出端相连，该计算机的输 出端分别与激光器、声光调制器、物镜压电陶瓷驱动器、 一维电动平移台和二维纳米平台的控制端相连。其中光谱分光镜对激光器发出的激光具有高反射率，而对其它波长的 光为高透过率，显微物镜固定在物镜压电陶瓷驱动器上，物镜压电陶瓷 驱动器可延光路方向进行纳米精度的移动。样品平台固定在二维纳米平 台上，而二维纳米平台又固定在一维电动平移台上。二维纳米平台在计 算机的控制下可在垂直于光路方向的平面内作纳米精度的二维运动。一 维电动平台在计算机的控制下可沿光路方向做较大范围移动，以方便样 品的装夹。该模块将刻写用的激光束在样品表面会聚成光点，并控制样 品沿既定路线运动，实现光点在样品表面的扫描。所述激光功率检测模块包括会聚透镜和光功率探测器。其中功率探测 器与计算机相连，表征光功率的电信号被计算机所采集。该模块监测透 过光谱分光镜的少量激光的功率，并将其作为光谱分光镜反射的刻写激 光的功率取样，计算机采集该信号之后反馈控制激光器的输出功率，实 现射向样品表面的激光功率保持稳定的目的。所述的自动聚焦模块由半导体激光器、第二偏振分光镜、第二四分之 一波片、滤光片、球面会聚透镜、柱面会聚透镜、四象限光电探测器组 成。其中半导体激光器发出红色线偏振光，第二四分之一波片的长轴与 红光的偏振方向成45。，第二四分之一波片和第二偏振分光镜对红光构 成隔离器。滤光片对红光具有高透射率，对其它波长的光的透射率几乎 为零。该模块实现将显微物镜会聚形成的光点始终保持在样品表面的目 的，以此保证刻写的线条宽度和深度保持一致。所述控制和检测模块包括一台计算机。该计算机控制着激光器、声光 调制器、 一维电动平移台、二维纳米平台、 一维物镜压电陶瓷驱动器， 并检测光功率探测器和四象限光电探测器的电信号。该模块采集系统各 部分的信号，进行分析判断之后控制系统中的各个执行器，协调其它各 模块进行相关操作，实现系统功能的目的。 本专利技术的工作过程为激光器发出的激光通过声光调制器衍射后，其正一级光被偏振分光棱镜反射，而后透过第一四分之一波片和扩束镜后射向光点扫描模块。 该第一偏振分光棱镜和第一四分之一波片构成光隔离器，从样品表面反 射的激光不会返回激光器。激光器发出的激光在经扩束镜扩束后，射向光谱分光镜。该光谱分 光镜对激光器发出的激光具有高反射率，故绝大部分激光被其反射进入 物镜参与刻写，另有少部分激光从光谱分光镜透射后被会聚透镜会聚， 光点落在光电探测器上。光电探测器产生电信号，此电信号经过放大器 放大后被计算机采集，作为系统中参与刻写样品的激光的功率取样。从光谱分光镜反射的激光被显微物镜会聚在样品表面，当二维纳米 平台带动样品在计算机的控制下按既定路线移动时，样品表面将会被刻 写下预先设计好的图样。在刻录过程中，为确保刻写用的光点始终会聚在样品表面，系统中 由自动聚焦模块来确保这一点。具体来讲，自动聚焦模块的工作过程如下半导体激光器发出的红色线偏振激光被偏振分光镜反射后透过四分 之一波片和光谱分光镜，被显微物镜会聚在样品表面，又经样品反射， 沿原光路返回。该半导体激光器发出的红色激光沿竖直方向偏振，第二 四分之一波片的长轴方向同竖直方向的夹角为45。，红色激光透过后变 为圆偏振光，而从样品表面反射的激光再透过第二四分之一波片后变为 水平方向的线偏振光，该光可以透过第二偏振分光镜。光谱分光镜对红 光具有高透射率，对红光基本没有影响。透过第二偏振分光镜的红色激 光被球面透镜和柱面透镜会聚，光斑落在四象限光电探测器上，此光斑 在四象限探测器上的光强分布即为调焦误差信号。四象限探测器将该调 焦误差信号转化为电信号，而后经电路放大后被计算机所采集，计算机 对此信号进行运算，并控制一维电动平移台和物镜压电陶瓷驱动器，调 整显微物镜与样品表面的距离，使样品表面始终处于该显微物镜的焦平 面上。系统中采用的显微物镜对于激光器发出的刻写本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化的激光直刻装置，其特征在于它由激光调制模块（１）、光点扫描模块（２）、激光功率检测模块（３）、自动聚焦模块（４）和控制检测模块（５）构成：所述的激光调制模块（１）包括激光器（１０１）和置于该激光器（１０１）的出射激光方向上 的声光调制器（１０２）、第一偏振分光镜（１０３）、第一四分之一波片（１０４）、扩束镜（１０５），其中第一四分之一波片（１０４）的长轴方向和入射光的偏振方向成４５°，第一偏振分光镜（１０３）和第一四分之一波片（１０４）构成光隔离器；所 述的光点扫描模块（２）包括光谱分光镜（２０１）、物镜压电陶瓷驱动器（２０２）、显微物镜（２０３）、待写样品（２０４）、二维纳米平台（２０５）和一维电动平移台（２０６），所述的显微物镜（２０３）固定在所述的物镜压电陶瓷驱动器（２０２）上，待写样品（２０４）固定在所述的二维纳米平台（２０５）上，该二维纳米平台（２０５）又固定在一维电动平移台（２０６）上；所述的激光功率检测模块（３）包括会聚透镜（３０２）和光功率探测器（３０１）；所述的自动聚焦模块（４）由半导体激光 器（４０１）、第二四分之一波片（４０２）、第二偏振分光镜（４０３）、滤光片（４０４）、球面会聚透镜（４０５）、柱面会聚透镜（４０６）和四象限光电探测器（４０７）组成，所述的第二四分之一波片（４０２）、第二偏振分光镜（４０３）、滤光片（４０４）、球面会聚透镜（４０５）、柱面会聚透镜（４０６）和四象限光电探测器（４０７）与所述的光谱分光镜（２０１）、显微物镜（２０３）、待写样品（２０４）同光轴；所述控制和检测模块（５）包括一台计算机（５０１），该计算机（５０１）的输入端分 别与光功率探测器（３０１）的输出端和四象限光电探测器（４０７）的输出端相连，该计算机（５０１）的输出端分别与激光器（１０１）、声光调制器（１０２）、物镜压电陶瓷驱动器（２０２）、一维电动平移台（２０６）和二维纳米平台（２０５）的控制端相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：范永涛，徐文东，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]