本发明涉及原子光刻技术领域，尤其是涉及一种用于实现分步沉积型二维原子光刻的装置。
背景技术
具备良好的正交性是纳米测量仪器与设备应用中的广泛需求，比如扫描探针显微镜需要良好的正交性来减小角度误差、扫描电子显微镜需要良好的正交性来减小测量过程中的漂移误差、用于测量二轴平台的平面编码器中需要良好的正交性来减小阿贝误差等。因此，在实际的纳米测量仪器与设备应用中，多轴运动系统中轴与轴之间的非正交性是主要的测量误差来源，使用具备良好正交性的标准物质来进行正交性校准是实现高准确度测量的关键。
二维正交型栅格结构是最常用的正交性校准标准物质，其制备工艺一般是基于激光干涉光刻、电子束刻蚀、多层膜技术以及传统光刻技术，例如，nanosensor公司研制的2d200nm、asm公司研制的2d144nm和nano5国际比对中使用的2d292nm等型号二维正交型栅格标准物质。以nano5国际比对中使用的2d292nm型号二维正交型栅格标准物质测量结果为例，其二维栅格垂直角度为90.5度。由于上述制备工艺制备的二维栅格结构角度没有直接的溯源性，导致非正交性误差角度较大，一般在0.5度数量级。与此同时，另外一种比较独特的标准栅格制备技术是分步沉积型原子光刻技术，该技术研制的栅格正交性可以直接溯源到样品旋转角度，其非正交性误差可以控制在0.01度以下，非常适合于研制良好正交性的二维栅格型标准物质。
分步沉积型原子光刻技术由两次一维原子光刻过程组成。一维原子光刻技术原理为原子在激光场中受到偶极力的作用。具体为，由两束相向传播的蓝失谐激光叠加而成的驻波场构成激光场，原子在这个激光驻波场中运动时，会从一束光中吸收一个光子，并通过受激辐射使另一束激光得到一个光子。原子吸收光子的过程为，一个静止的原子处在光强最小值的左侧，它首先从激光束中吸收一个从左至右传播的光子，然后被由右至左传播的激光激发回到基态并向左侧放出一个光子。在此过程中，它获得了两倍的反冲动量，其方向是指向右侧的。与此同时，处于波谷右侧原子的受力情况正好相反，在受激辐射的情况下向左侧运动。综合来讲，原子在驻波场光场最低处做类似简谐振子的运动。当原子经过驻波场时，原子将被汇聚在波谷中心位置附近。类似地，若在红移激光驻波场的作用下，原子将在波腹中心位置附近汇聚。基于一维原子光刻技术制备的光栅结构，由于原子沉积位置与激光驻波场波谷或波腹位置严格对应，可以制备周期高度准确可靠的一维光栅结构，该结构的周期严格溯源于原子的跃迁能级间的自然跃迁频率，误差大小一般在0.1nm数量级，具有非常好的样品内一致性与样品间一致性。
分步沉积型原子光刻技术的具体过程为，基于原子光刻技术，首先在基板上制备出一维原子光刻沉积光栅结构，得到一维原子光刻沉积光栅样板；然后保持会聚光指向与光栅样板平面法向量指向不变，并旋转一维原子光刻沉积光栅样板至所需特定角度θ；在一维原子光刻光栅结构上进行第二次原子光刻，形成二维原子光栅菱形栅格结构，且菱形栅格图案其中一个内角与一维光栅样板旋转角度θ相等。为保证所形成的结构具备良好的均匀性和一致性，要求两次原子光刻过程中金属原子束炉温、会聚光总功率、会聚光频率失谐量、会聚光与基板的切光比例、原子束横向冷却效果、沉积时间等始终保持一致。而会聚光与基板的切光比例一致则要求两次沉积过程中样板表面空间法向量指向不变。
使用分步沉积型原子光刻技术研制正交型二维原子光刻栅格结构(即θ＝90度的特殊情形)的关键是保证以下两个条件：(1)精确旋转样品90度(要求角度误差小于0.01度)；(2)旋转样品前后样板表面的空间法向量指向保持不变。一般可以直接使用旋转样品转台或类似方法对样品进行高精度的旋转，然而此方法的弊端是难以保证旋转前后样板表面的空间法向量不变。因此，针对研制正交型二维原子光刻光栅的需求，发展并设计一种新的调整结构来同时保证上述两个关键技术条件尤为必要。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同时保证精确旋转样品90度(要求角度误差小于0.01度)和旋转样品前后样板表面的空间法向量指向保持不变的严格条件，实现具备良好正交性的二维原子光栅栅格的研制。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于实现分步沉积型二维原子光刻的装置，包括第一反射镜、第二反射镜和机械固定机构，所述第一反射镜和第二反射镜垂直粘合构成垂直反射镜组，所述垂直反射镜组固定于机械固定机构中，
所述机械固定机构包括第一结构件、第二结构件、第三结构件和第四结构件，所述第一结构件、第二结构件、第三结构件和第四结构件构成一可容纳所述垂直反射镜组的框架，且该框架留有用于穿过原子束和会聚光的空间，所述第一结构件上设有用于放置原子光刻光栅样板的工件表面。
进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜表面均镀制有反射率高于97％的反射膜。
进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜间的垂直度角度公差小于5秒。
进一步地，所述第一结构件包括处于同一表面、且分隔设置的3个突起件，所述3个突起件形成所述工件表面，且所述工件表面分别与所述第一反射镜和第二反射镜垂直。
进一步地，所述工件表面分别与所述第一反射镜和第二反射镜之间的垂直度角度公差小于30秒。
进一步地，所述第一结构件和第二结构件相对设置，且第一结构件和第二结构件之间留有用于穿过会聚光的空间。
进一步地，所述第二结构件上设有多个用于穿过螺丝的圆孔，该螺丝用于固定所述原子光刻光栅样板。
进一步地，所述第二结构件上设有用于穿过原子束的通孔。
该装置实现分步沉积型二维原子光刻具体包括以下步骤：
1)基于原子光刻技术，原子束穿过框架入射到放置于第一结构件上的原子光刻光栅样板上，激光从与第一反射镜垂直、与第二反射镜平行的方向入射，反射后原路返回，在原子光刻光栅样板上制备出一维原子光刻沉积光栅结构，得到一维原子光刻沉积光栅样板；
2)保持会聚光指向与一维原子光刻沉积光栅样板平面法向量指向不变，将所述一维原子光刻沉积光栅样板旋转一设定角度θ，0度<θ≤90度；
3)原子束穿过框架入射到所述一维原子光刻沉积光栅样板上，激光从与第二反射镜垂直、与第一反射镜平行的方向入射，形成二维原子光栅垂直栅格结构。
进一步地，所述步骤1)和步骤3)中，原子束炉温、会聚光总功率、会聚光频率失谐量、会聚光与原子光刻光栅样板表面的切光比例、原子束横向冷却效果和沉积时间均保持一致。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本装置将垂直反射镜组固定于机械固定机构内，通过本装置的分步沉积第一次形成的一维原子光刻光栅平行于第一反射镜，第二次形成的一维原子光刻光栅平行于第二反射镜，将二维原子光刻研制的栅格夹角溯源至垂直反射镜组的垂直夹角(可以控制在5秒以内)，确保了二维原子光刻栅格结构的正交性。
2、本装置中用于贴合二维原子光刻样板的工件表面与第一反射镜、第二反射镜分别垂直，垂直精度误差控制在30秒以内，结合两次原子光刻过程中会聚激光空间指向不变并分别通过第一反射镜和第二反射镜后原路返回，从而保证了二维原子光刻分步沉积过程中驻波场切光的平行性，进而实现了二维原子光刻栅格结构的一致性与均匀性。
3、应用本装置进行实验，无需对原来的真空室进行改造，节约了成本，兼容性好。
4、本装置可以用于实现分步沉积型原子光刻技术制备非正交性误差小于0.01度的二维原子光刻栅格结构，用于纳米测量仪器和设备应用中的良好的正交性校准。
附图说明
图1为本发明实施例用于分步沉积型二维cr原子光刻技术的垂直反射镜组及其固定装置总体结构图
图2为通过本发明专利实施例研制的正交型二维cr原子光刻栅格结构的原子力显微镜图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种用于实现分步沉积型二维原子光刻的装置，包括第一反射镜m1、第二反射镜m2和机械固定机构，第一反射镜m1和第二反射镜m2垂直粘合构成垂直反射镜组，垂直反射镜组固定于机械固定机构中。机械固定机构包括第一结构件3、第二结构件4、第三结构件5和第四结构件6，第一结构件3、第二结构件4、第三结构件5和第四结构件6构成一可容纳垂直反射镜组的框架，且该框架留有用于穿过原子束和会聚光的空间，第一结构件3上设有用于放置原子光刻光栅样板的工件表面。
本实施例中，第一结构件3、第二结构件4、第三结构件5和第四结构件6均为异形结构件，第一结构件3呈l形，与第三结构件5和第四结构件6组合形成回字形结构，第二结构件4呈回字形，使得第一结构件3、第二结构件4、第三结构件5和第四结构件6形成的框架留有用于穿过原子束和会聚光的空间。
第一反射镜m1和第二反射镜m2表面均镀制有反射率高于97％的反射膜。本实施例中采用对应波长为425.6nm的高反膜。
第一反射镜m1和第二反射镜m2间的垂直度角度公差小于5秒，以保证二维原子光刻栅格的正交性。
第一结构件3包括处于同一表面、且分隔设置的3个突起件301、302、303，3个突起件形成工件表面，且工件表面分别与第一反射镜m1和第二反射镜m2垂直。工件表面分别与第一反射镜m1和第二反射镜m2之间的垂直度角度公差小于30秒，从而保证了二维原子光刻分步沉积过程中驻波场切光的平行性，进而实现了二维原子光刻栅格结构的一致性与均匀性。同时原子光刻光栅样板通过3个突起件301、302、303固定于框架上，301与302之间、302与303之间分别开凹槽，在原子光刻光栅样板前后留足空间，以调整会聚激光的切割比例并观察会聚光高度与原子束的高度是否一致，提高制备精度。
本实施例中，第一结构件3和第二结构件4相对设置，且第一结构件3和第二结构件4之间留有用于穿过会聚光的空间。第二结构件4上设有三个用于穿过螺丝的圆孔401、402、403，所述螺丝用于将原子光刻光栅样板对应固定于突起件301、302、303上。第二结构件4上设有用于穿过原子束的通孔。
上述装置实现分步沉积型二维原子光刻具体包括以下步骤：
1)基于原子光刻技术，原子束穿过框架入射到放置于第一结构件3上的原子光刻光栅样板上，激光从与第一反射镜m1垂直、与第二反射镜m2平行的方向入射，反射后原路返回，在原子光刻光栅样板上制备出一维原子光刻沉积光栅结构，得到一维原子光刻沉积光栅样板，原子光刻光栅样板为硅或磷化铟，原子束元素为铬(cr)、铁(fe)、钠(na)、铝(al)或镱(yb)。本实施例采用的金属原子束为铬(cr)。
实验中，会聚激光波长为425.6nm，对应cr原子的共振跃迁能级为7s3→7p40，会聚激光频率调节至该共振能级对应中心频率的正失谐(+20mhz)或负失谐(-250mhz)位置。形成的一维铬(cr)原子光刻光栅结构周期为所用激光波长的一半，为212.8nm。另外，制备过程中，会聚激光被样板切割比例限制在50％以内。
此次cr原子光刻过程使用第一反射镜m1作为主反射镜进行原子光刻
2)保持会聚光指向与一维原子光刻沉积光栅样板平面法向量指向不变，将一维原子光刻沉积光栅样板旋转一设定角度θ，本实施例中，θ为90度，实现正交型二维原子光刻栅格结构，角度误差小于0.01度。
3)原子束穿过框架入射到一维原子光刻沉积光栅样板上，激光从与第二反射镜m2垂直、与第一反射镜m1平行的方向入射，形成二维原子光栅垂直栅格结构。此次cr原子光刻过程使用第二反射镜m2作为主反射镜。
步骤1)和步骤3)中，原子束炉温、会聚光总功率、会聚光频率失谐量、会聚光与原子光刻光栅样板表面的切光比例、原子束横向冷却效果和沉积时间均保持一致。
图2为通过本发明专利实施例研制的正交型二维cr原子光刻栅格结构的原子力显微镜图像，图像中，相邻格点的理论距离为212.8nm，垂直方向格点阵列的角度由垂直反射镜组(m1与m2)之间的角度决定，理论上优于10秒。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。