专利名称：模块化的激光直刻装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及纳米加工领域，特别是一种模块化的激光直刻装置。
背景技术：
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(参见发明 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。
发明内容
本发明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。 本发明的基本构思是
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。
本发明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。 本发明的工作过程为
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用的激光和半导体 激光器发出的红色调焦激光具有相同焦距，故系统在红光聚焦在样品表 面情况下，刻录用的激光同样也会聚焦在样品表面。 与在先技术相比，本发明具有以下优点
1、本发明增加了自动聚焦模块，在静态和动态情况下均能确保准 确聚焦，保证了刻写精度。
2利用另一波长的光束进行聚焦误差探测，使聚焦误差探测自身的 性能提高，其工作不影响光刻，原则上可始终工作；有利于模块化；使 光刻工艺适应性增强；
3、 整套装置采用模块化设计，维护方便，装置功能易于扩充升级， 每个模块还可以单独用于其它装置中。
4、 本装置中采用高竖直孔径显微物镜，从而减小了记录点的尺寸， 能加工出高精度的纳米尺寸图形。
5、 系统中采用高精度纳米平台作为运动部件，由于分辨率高，并 具有闭环位置反馈结构，可执行精密的调焦动作和位移动作。
6、 系统光路同样品扫描模块具有独立性，可以采用更换扫描平台 的方式获得不同范围和不同精度的刻写图形，系统具有很大的灵活性和 实用性。
图1为本发明模块化的激光直刻装置的光路示意图。 图2为本发明装置刻写控制流程图
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
先请参阅图1，图1为本发明模块化的激光直刻装置的光路示意图。 由图可见，本发明模块化的激光直刻装置，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、控制和检测模块5构
成
所述的激光调制模块1包括激光器101和置于该激光器光路方向上
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。激光器101发出的竖直线偏振光通过声光调制器102衍射后的 正一级或负一级光被第一偏振分光棱镜103反射，而后透过第一四分之 一波片104和扩束镜105后射向所述的光点扫描模块2。第一四分之一 波片104的长轴方向与竖直方向的夹角45。，激光通过后成为圆偏振光， 此激光通过光点扫描模块2后被待写样品204表面反射，激光沿原路返 回，再次通过第一四分之一波片104成为水平的偏振光，从第一偏振分 光镜103透射出去，不会返回到激光器101中。
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。显微物镜203固定在物镜压电陶瓷驱动器202上，物镜压电陶 瓷驱动器202带动显微物镜203沿光路方向进行纳米精度的移动。待写 样品204固定在二维纳米平台205上，而该二维纳米平台205又固定在 一维电动平移台206上。该二维纳米平台205在计算机501的控制下， 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206 在计算机501的控制下可沿光路方向做较大范围移动，以方便待写样品 204的装夹。激光器101发出的激光在经过扩束镜105扩束后，射向光 谱分光镜201。该光谱分光镜201对激光器101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203参与刻录，另有少部分激光 从光谱分光镜201透射后射向功率探测模块3。
所述的激光功率探测模块3包括会聚透镜302和光电探测器301。 射向功率探测模块3的激光被会聚透镜302会聚，光点落在光电探测器 301上。该光电探测器301产生电信号经过放大器放大后由计算机501 采集，作为系统中参与刻写样品的激光的功率取样，系统采集该信号用 来反馈控制激光器101的输出功率，以抑制激光器的功率漂移，确保参 与刻写的激光功率保持稳定。 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、 四象限光电探测器407组成。其中半导体激光器401发出沿竖直方向偏 振的红光，被第二偏振分光镜403反射。第二四分之一波片402的长轴 与所述的红色线偏振光的偏振方向成45。，该红色线偏振激光在通过第 二四分之一波片402后变成圆偏振光，被物镜203会聚在样品表面，后 又被反射沿原路返回，透过第二四分之一波片402后成为水平偏振光， 从第二偏振分光镜403透射，透过滤光片404，被球面会聚透镜405和 柱面透镜406会聚成光点落在四象限光电探测器407的表面。滤光片404 对红光具有高透射率，对其它波长的光的透射率几乎为零，起到阻止激 光器101发出的激光到达四象限光电探测器407表面的作用。
所述控制和检测模块5包括一台计算机501。该计算机501接收来 自光功率探测器301和四象限光电探测器407的电信号，并根据激光光 刻的要求控制激光器101的功率、声光调制器102的透过率、 一维电动 平移台206在光路方向的大范围移动、二维纳米平台205在垂直于光路 方向的平面内的纳米精度的移动和一维物镜压电陶瓷驱动器202在沿 光路方向的高精度移动。
以上所述各模块之间的连接关系如附图1所示，激光调制模块1发 出的刻写激光进入光点扫描模块中2参与刻写，并有少量激光功率检测 模块3所检测，自动聚焦模块4发出的光进入光点扫描模块中2以实现 自动聚焦，控制和检测模块5控制并检测以上各个模块，以实现系统功 能。
下面结合附图来描述该发明刻写样品的具体过程。 将待刻写的样品204装夹在样品平台205上，然后计算机501控制 一维电动平移台206移动到物镜203的焦点附近，而后开启自动聚焦模 块4的半导体激光器401，准备在实际刻写样品前将待写样品204调平。 待写样品204调平的基本过程如下
在待写样品204上选定某个区域作为刻写区域，并在该区域边界上
选定三点作为该样品平面的特征点，亦即在该三点处于物镜焦平面时即 可保证整个样品平面均在物镜焦平面上。控制二维纳米平台移动样品， 使其某一特征点位于显微物镜203的焦点光斑下，根据自动聚焦系统测
量的聚焦误差信号调节样品平台205，使该特征点位于物镜203的焦深 范围之内。用同样的方法调整样品平台，使样品上的另外两个特征点也 处于物镜焦深范围内。
样品调平后，进行实际的刻写。刻写过程如下
首先计算机501采用多功能卡输出DA模拟信号控制声光调制器 102，使其对刻写激光的透过率为0，之后打开刻写用的激光器101。计 算机501选取待刻写的图形文件并进行分析，选取最优刻写路径，并沿 着最优路径逐点刻写样品204。系统在刻写样品上的某一具体点时，需 进行如下操作计算机501控制二维纳米平台205移动样品到指定点， 然后计算机501根据调焦误差信号反馈控制物镜压电陶瓷驱动器202， 使样品平面上的该刻写点精确处于物镜203的焦深范围内，而后根据目 标图形在该点的灰度值控制声光调制器102的透过率，让一定强度的刻 写激光射向样品204的表面， 一段时间后重新调整声光调制器102的透 过率为0，关断激光。在刻写完某点后，计算机501控制控制二维纳米 平台205移动样品到下一点，重复上述过程进行刻写，直至样品刻写完 毕。
在沿最优路径逐点刻写完样品后，计算机501控制一维电动平台206 移动样品204远离物镜203，之后便可取下样品进行测试或作其它用途。
经试用表明，本发明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，可应用于纳米电极和纳 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、二元光学器件等多个高新技术领域。
权利要求
1、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。
全文摘要
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。
文档编号B23K26/42GK101096064SQ200710043639
公开日2008年1月2日 申请日期2007年7月10日 优先权日2007年7月10日
发明者徐文东, 范永涛 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所