一种利用数字掩模制作线宽可调制亚微米光栅的方法

1.本发明涉及制作亚微米光栅技术领域，尤其涉及一种利用数字掩模制作线宽可调制亚微米光栅的方法。


背景技术：

2.光栅作为光学仪器的核心色散光学元件，广泛应用于计量、光通信、航空、航天、激光能量调制等领域。近年来，线宽可调制亚微米光栅因自聚焦、像差校正、高分辨率等独特优点，在空间光谱仪、光纤通信、非球面干涉计量、等离子体诊断等方面展现了广阔的应用前景。
3.线宽可调制亚微米光栅的制作方法主要有电子束曝光、全息曝光和纳米压印等。电子束曝光存在成本高、曝光参数难于控制等缺点，全息曝光获得的光栅光谱范围广，分辨率高，但对工艺的要求很高，纳米压印可以高精度复制模板上的图形，其难点在于压印参数的控制。近年来，基于数字微镜器件(dmd)的数字掩模光刻以其高效率、低成本等显著优点，被广泛应用于功能微结构制造。然而受光刻光源非单色性、dmd微镜衍射之间的相互干涉等不利因素影响，其分辨率受限于微米量级。虽然可以通过联动单个slm和高精度压电平台扫描进一步提高数字掩模光刻分辨率，但压电平台多次扫描过程会导致加工效率下降，同时随着压电平台精度的提高导致其价格急剧上升，从而增加制作成本。为了克服现有线宽可调制亚微米光栅制作方法存在的成本高、工艺参数难于控制等缺陷，充分结合数字掩模光刻快速、准确投影图形的显著优势，提出一种利用数字掩模制作线宽可调制亚微米光栅的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中存在的技术问题，提供一种利用数字掩模制作线宽可调制亚微米光栅的方法。为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种利用数字掩模制作线宽可调制亚微米光栅的方法，该方法包括以下步骤：
5.(1)配置数字光刻系统，所述数字光刻系统包括曝光光源1和曝光光源2、反射镜1和反射镜2、slm1和slm2、分光镜1和分光镜2、投影物镜、精密移动台；曝光光源1发出的光经反射镜1反射、以固定角度入射至slm1，经slm1调制后进入分光镜1；曝光光源2发出的光经反射镜2反射、以固定角度入射至slm2，经slm2调制；slm1和slm2调制的光由分光镜2耦合、通过投影物镜到达安装在精密移动台上的基底，以此实现不同slm组合叠加曝光；若slm1和slm2的一个像素通过投影物镜投影成像的尺寸均为t
x
×
ty，配置slm1和slm2的空间位置，使其投影到基底的两幅图形在平行于基底平面的两个方向上产生错位，并且错位距离分别为n为自然数。
6.(2)利用matlab预先设计n+1幅光栅光刻掩模子图，依次将光栅光刻掩模子图同时分配给slm1和slm2显示，通过计算机控制slm1和slm2分别按预先设定好的曝光时间依次同
时投影光栅光刻掩模子图在涂覆光刻胶的基底上同一位置进行n+1次叠加曝光。
7.(3)经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光刻胶上形成线宽为的可调制亚微米光栅光刻图形。
8.优选的，所述步骤(1)中的错位是指slm1和slm2投影到基底上的图形的位置没有一一对应在基底的相同的位置上，且所述错位包括在平行于基底平面的所有方向上的错位。
9.优选的，所述步骤(2)中利用matlab预先设计n+1幅光栅光刻掩模子图包含以下步骤：
10.步骤2.1：当slm像素尺寸为w
x
×
wy时，生成线宽为w
x
、周期为2w
x
的沿x方向周期性平铺排列的二元光栅图形1和生成线宽为wy、周期为2wy的沿y方向周期性平铺排列的二元光栅图形2；
11.步骤2.2将步骤2.1生成的二元光栅图形1和二元光栅图形2进行或运算，得到光栅光刻掩模子图1；
12.步骤2.3依次将光栅光刻掩模子图1同时在两个方向上分别错位步骤2.3依次将光栅光刻掩模子图1同时在两个方向上分别错位距离，k＝1,2,3,
…
,且k≤n，得到光栅光刻掩模子图2、光栅光刻掩模子图3，
…
，光栅光刻掩模子图n+1。
13.优选的，所述步骤(3)中的所述光刻胶包括用于光刻制作的正性或负性胶。
14.本发明有益效果：
15.本发明通过两个slm错位投影预先设计的光栅光刻掩模子图，在基底上形成不同的错位叠加曝光量，以此实现线宽可调制亚微米光栅的制作并充分利用数字掩模光刻快速、准确投影图形的显著优势，避免了压电平台的多次重复扫描引入的重复定位误差和导致的加工效率下降；无静态掩模可大大减少掩模制作的费用，从而有效降低数字掩模光刻的制作成本。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
17.图1为本发明的数字光刻系统示意图；
18.图2为本发明的2幅光栅光刻掩模子图错位叠加制作亚微米光栅示意图；
19.图3为本发明的3幅光栅光刻掩模子图错位叠加制作亚微米光栅示意图。
具体实施方式
20.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等
指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
23.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
24.实施例1
25.参照图1和图2，一种利用数字掩模制作线宽可调制亚微米光栅的方法，包括以下步骤：
26.(1)配置数字光刻系统，如图1所示，所述数字光刻系统包括曝光光源1和曝光光源2、反射镜1和反射镜2、slm1和slm2、分光镜1和分光镜2、投影物镜、精密移动台；优选的，所述曝光光源1和所述曝光光源2均可选用led光源、激光光源、汞灯光源等；所述slm1和所述slm2均可选用数字微镜器件(dmd)、液晶(lcd)、硅基液晶(lcos)等空间光调制器，参照图1，图1中slm1和slm2均为dmd，所述dmd由单像素尺寸为13.68μm
×
13.68μm的微镜阵列组成；所述曝光光源1发出的光经反射镜1反射、以固定角度入射至dmd1，经dmd1调制后进入分光镜1；曝光光源2发出的光经反射镜2反射、以固定角度入射至dmd2，经dmd2调制；dmd1和dmd2调制的光由分光镜2耦合、通过投影物镜到达安装在精密移动台上的基底，以此实现不同dmd组合叠加曝光，优选的，所述投影物镜缩小倍率为20倍；若dmd1和dmd2的一个像素通过投影物镜投影成像的尺寸均为t
x
×
ty，配置dmd1和dmd2的空间位置，使其投影到基底的两幅图形在平行于基底平面的x和y两个方向上产生错位，并且错位距离分别为
27.(2)利用matlab预先设计2幅光栅光刻掩模子图，包含以下子步骤：
28.步骤2.1当slm像素尺寸为w
x
×
wy时，生成线宽为w
x
、周期为2w
x
的沿x方向周期性平铺排列的二元光栅图形1和生成线宽为wy、周期为2wy的沿y方向周期性平铺排列的二元光栅图形2；
29.步骤2.2将步骤2.1生成的二元光栅图形1和二元光栅图形2进行或运算，得到光栅光刻掩模子图1；
30.步骤2.3将光栅光刻掩模子图1同时在x、y方向上分别错位w
x
、wy距离，得到光栅光刻掩模子图2。
31.将光栅光刻掩模子图1同时分配给dmd1和dmd2显示，通过计算机控制dmd1和dmd2分别按预先设定好的曝光时间同时投影光栅光刻掩模子图1在涂覆光刻胶的基底上同一位置进行第1次叠加曝光；再将光栅光刻掩模子图2同时分配给dmd1和dmd2显示，通过计算机控制dmd1和dmd2分别按预先设定好的曝光时间同时投影光栅光刻掩模子图2在涂覆光刻胶的基底上同一位置进行第2次叠加曝光。
32.(3)经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光刻胶上形成线宽为的可调制亚微米光栅光刻图形。
33.实施例1中，dmd1和dmd2的一个像素通过投影物镜投影成像的尺寸t
x
×
ty为0.684μm
×
0.684μm，经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光刻胶上形成线宽为0.484μm的亚微米光栅光刻图形。
34.实施例2
35.参照图1和图3，一种利用数字掩模制作线宽可调制亚微米光栅的方法，包括以下步骤：
36.(1)配置数字光刻系统，如图1所示，所述数字光刻系统包括曝光光源1和曝光光源2、反射镜1和反射镜2、slm1和slm2、分光镜1和分光镜2、投影物镜、精密移动台；优选的，所述曝光光源1和所述曝光光源2均可选用led光源、激光光源、汞灯光源等；所述slm1和所述slm2均可选用数字微镜器件(dmd)、液晶(lcd)、硅基液晶(lcos)等空间光调制器，优选的，图1中slm1和slm2均为dmd，所述dmd由单像素尺寸为13.68μm
×
13.68μm的微镜阵列组成；所述曝光光源1发出的光经反射镜1反射、以固定角度入射至dmd1，经dmd1调制后进入分光镜1；曝光光源2发出的光经反射镜2反射、以固定角度入射至dmd2，经dmd2调制；dmd1和dmd2调制的光由分光镜2耦合、通过投影物镜到达安装在精密移动台上的基底，以此实现不同dmd组合叠加曝光，优选的，所述投影物镜缩小倍率为20倍；若dmd1和dmd2的一个像素通过投影物镜投影成像的尺寸均为t
x
×
ty，配置dmd1和dmd2的空间位置，使其投影到基底的两幅图形在平行于基底平面的x和y两个方向上产生错位，并且错位距离分别为
37.(2)利用matlab预先设计3幅光栅光刻掩模子图，包含以下子步骤：
38.步骤2.1当slm像素尺寸为w
x
×
wy时，生成线宽为w
x
、周期为2w
x
的沿x方向周期性平铺排列的二元光栅图形1和生成线宽为wy、周期为2wy的沿y方向周期性平铺排列的二元光栅图形2；
39.步骤2.2将步骤2.1生成的二元光栅图形1和二元光栅图形2进行或运算，得到光栅光刻掩模子图1；
40.步骤2.3将光栅光刻掩模子图1同时在x、y方向上分别错位距离，得到光栅光刻掩模子图2；将光栅光刻掩模子图1同时在x、y方向上分别错位距离，得到光栅光刻掩模子图3。
41.将光栅光刻掩模子图1同时分配给dmd1和dmd2显示，通过计算机控制dmd1和dmd2分别按预先设定好的曝光时间同时投影光栅光刻掩模子图1在涂覆光刻胶的基底上同一位置进行第1次叠加曝光；将光栅光刻掩模子图2同时分配给dmd1和dmd2显示，通过计算机控制dmd1和dmd2分别按预先设定好的曝光时间同时投影光栅光刻掩模子图2在涂覆光刻胶的基底上同一位置进行第2次叠加曝光；再将光栅光刻掩模子图3同时分配给dmd1和dmd2显示，通过计算机控制dmd1和dmd2分别按预先设定好的曝光时间同时投影光栅光刻掩模子图
3在涂覆光刻胶的基底上同一位置进行第3次叠加曝光。
42.(3)经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光刻胶上形成线宽为的可调制亚微米光栅光刻图形。
43.实施例2中，dmd1和dmd2的一个像素通过投影物镜投影成像的尺寸t
x
×
ty为0.684μm
×
0.684μm，经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光刻胶上形成线宽为0.322μm的亚微米光栅光刻图形。
44.作为本发明的优选实施例，其还可以具有以下附加技术特征：
45.实施例1和实施例2中，所述错位是指两个dmd投影到基底上的图形的位置没有一一对应在基底的相同的位置上，且所述错位包括在平行于基底平面的所有方向上的错位。
46.实施例1和实施例2中，所述光刻胶包括用于光刻制作的正性或负性胶。
47.本发明通过两个slm错位投影预先设计的光栅光刻掩模子图，在基底上形成不同的错位叠加曝光量，以此实现线宽可调制亚微米光栅的制作并充分利用数字掩模光刻快速、准确投影图形的显著优势，避免了压电平台的多次重复扫描引入的重复定位误差和导致的加工效率下降；无静态掩模可大大减少掩模制作的费用，从而有效降低数字掩模光刻的制作成本。
48.在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。
49.以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种利用数字掩模制作线宽可调制亚微米光栅的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)配置数字光刻系统，所述数字光刻系统包括曝光光源1和曝光光源2、反射镜1和反射镜2、slm1和slm2、分光镜1和分光镜2、投影物镜、精密移动台；曝光光源1发出的光经反射镜1反射、以固定角度入射至slm1，经slm1调制后进入分光镜1；曝光光源2发出的光经反射镜2反射、以固定角度入射至slm2，经slm2调制；slm1和slm2调制的光由分光镜2耦合、通过投影物镜到达安装在精密移动台上的基底，以此实现不同slm组合叠加曝光；若slm1和slm2的一个像素通过投影物镜投影成像的尺寸均为t
x
×
t
y
，配置slm1和slm2的空间位置，使其投影到基底的两幅图形在平行于基底平面的两个方向上产生错位，并且错位距离分别为n为自然数。(2)利用matlab预先设计n+1幅光栅光刻掩模子图，依次将光栅光刻掩模子图同时分配给slm1和slm2显示，通过计算机控制slm1和slm2分别按预先设定好的曝光时间依次同时投影光栅光刻掩模子图在涂覆光刻胶的基底上同一位置进行n+1次叠加曝光。(3)经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光刻胶上形成线宽为的可调制亚微米光栅光刻图形。2.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作线宽可调制亚微米光栅的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的错位是指slm1和slm2投影到基底上的图形的位置没有一一对应在基底的相同的位置上，且所述错位包括在平行于基底平面的所有方向上的错位。3.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作线宽可调制亚微米光栅的方法，其特征在于：所述步骤(2)中利用matlab预先设计n+1幅光栅光刻掩模子图包含以下步骤：步骤2.1：当slm像素尺寸为w
x
×
w
y
时，生成线宽为w
x
、周期为2w
x
的沿x方向周期性平铺排列的二元光栅图形1和生成线宽为w
y
、周期为2w
y
的沿y方向周期性平铺排列的二元光栅图形2；步骤2.2将步骤2.1生成的二元光栅图形1和二元光栅图形2进行或运算，得到光栅光刻掩模子图1；步骤2.3依次将光栅光刻掩模子图1同时在两个方向上分别错位步骤2.3依次将光栅光刻掩模子图1同时在两个方向上分别错位距离，k＝1,2,3,
…
,且k≤n，得到光栅光刻掩模子图2、光栅光刻掩模子图3，
…
，光栅光刻掩模子图n+1。4.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作线宽可调制亚微米光栅的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的所述光刻胶包括用于光刻制作的正性或负性胶。

技术总结
本发明公开了一种利用数字掩模制作线宽可调制亚微米光栅的方法，该方法通过匹配数字光刻系统中两个SLM的错位和光栅光刻掩模子图的设计，依次将预先设计好的光栅光刻掩模子图同时分配给错位配置的SLM1和SLM2显示，通过计算机控制SLM1和SLM2分别按预先设定好的曝光时间依次同时投影光栅光刻掩模子图在涂覆光刻胶的基底上同一位置进行多次叠加曝光，形成不同的错位叠加曝光量，以此实现线宽可调制亚微米光栅的制作；本发明充分利用数字掩模光刻快速、准确投影图形的显著优势，避免了压电平台的多次重复扫描引入的重复定位误差和导致的加工效率下降。的加工效率下降。的加工效率下降。


技术研发人员：罗宁宁 张静雅 刘越 陈章睿 邓帅 邓嘉庆
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/4