基于扫描原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法
阅读说明：本技术 基于扫描原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法 (Large-area self-tracing grating preparation method based on scanning atomic lithography technology ) 是由 邓晓 程鑫彬 谭文 唐朝辉 林子超 李同保 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于扫描原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法,其特征在于,包括以下步骤：基于原子光刻技术,采用原子束和激光会聚驻波场的相互作用,在基板上进行局部自溯源光栅结构制备；使用道威棱镜控制所述激光会聚驻波场沿垂直于光栅沟槽方向扫描沉积区域,逐步实现沉积区域自溯源光栅全局覆盖,形成大面积自溯源光栅。与现有技术相比,本发明克服了由于汇聚能量密度降低导致的光栅边缘粗化等问题,具备操作简便,光栅面积扩展空间大的优点。(The invention relates to a method for preparing a large-area self-tracing grating based on a scanning atomic lithography technology, which is characterized by comprising the following steps of: based on an atomic photoetching technology, the local self-tracing grating structure is prepared on a substrate by adopting the interaction of an atomic beam and a laser convergence standing wave field; and controlling the laser convergence standing wave field to scan the deposition area along the direction vertical to the grating groove by using the dove prism, and gradually realizing the global coverage of the self-tracing grating of the deposition area to form the large-area self-tracing grating. Compared with the prior art, the invention overcomes the problems of grating edge coarsening and the like caused by the reduction of the concentration energy density, and has the advantages of simple and convenient operation and large grating area expansion space.)
技术领域
本发明涉及原子光刻技术领域，尤其是涉及一种基于扫描原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法。
背景技术
对自然常数的物化、传递和复用过程将有效提升先进制造过程的准确性和精度。2019年，国际单位制重大变革要求所有基本单位都改为自然常数定义，这将有效提升量值溯源的准确性，实现量值传递扁平化。在纳米制造领域，纳米光栅在精密位移测量、仪器校准等方面扮演着重要角色，是纳米级精密测量的基础支撑之一。所谓自溯源光栅，是指光栅某些关键参数可以直接溯源到天然基准的光栅。由于光栅自身可以完成溯源，因此具备极高的准确性、均匀性与一致性。目前，自溯源光栅的主要制备方法有原子光刻技术、氢钝化型硅表面STM光刻技术等。
原子光刻技术主要利用激光驻波场对原子的偶极力操纵原子运动，使得经过冷却后的原子束穿过激光驻波场后在基板上形成周期性的光栅结构。根据激光驻波场频率失谐量的不同，经过预准直的原子束将向驻波波峰(对应负失谐)或者波谷处(对应正失谐)汇聚，形成原子束“沟道化”现象。根据激光驻波场的不同光场分布，可以分别沉积出一维纳米光栅和二维点阵结构。由于光栅的周期直接由原子能级跃迁频率所锁定的激光波长决定，因此可以直接溯源到自然常数，具备自溯源特征，准确性与一致性极高。以铬原子光刻光栅为例，周期为212.8nm的一维自溯源铬光栅经验证准确性与一致性均在0.001nm量级。极高的准确性对于精密仪器校准与位移测量来讲都具有重要意义。
然而，原子光刻光栅结构区域偏小在某种程度上限制了其在关键领域的应用便利性。同样以铬自溯源光栅为例，光栅面积一般为2mm×0.25mm左右(其中0.25mm为高斯方向面积)。上述面积主要由激光驻波场光束参数决定，由于原子汇聚需要一定的能量密度阈值，因此在激光功率一定的情况下通过扩展光束的方法将降低能量密度，进而粗化光栅的线边缘粗糙度，导致光栅的准确性降低。同时，由于在沉积过程中，大量沿着高斯方向的原子未能与激光束进行相互作用，从而导致大量沉积区域原子通量的浪费。自溯源光栅面积偏小导致其广泛应用受限。比如，在使用分步沉积原子光刻研制二维自溯源光栅结构时，由于高斯方向宽度较小，导致重叠难度极大，成品率较低；又如，在使用自溯源光栅研制光栅干涉仪的过程中，极小的面积将导致干涉现象信噪比低，难以提升信号纯度与准确性。
基于上述现状，由于现有方法难以满足大面积自溯源光栅的制备要求，因此发展大面积(特别是扩展高斯方向宽度)的自溯源光栅制备方法极其必要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有自溯源光栅面积扩展方法导致准确性降低的问题而提供一种操作简便、光栅面积扩展空间大的基于扫描原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于扫描原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，包括以下步骤：
基于原子光刻技术，采用原子束和激光会聚驻波场的相互作用，在基板上进行局部自溯源光栅结构制备；
使用道威棱镜控制所述激光会聚驻波场沿垂直于光栅沟槽方向扫描沉积区域，逐步实现沉积区域自溯源光栅全局覆盖，形成大面积自溯源光栅。
进一步地，所述局部自溯源光栅结构制备的过程包括：
在真空环境下将金属粉末加热至升华状态并以泄流方式引出原子束，并对所述原子束进行准直；
准直后的原子束经过激光会聚驻波场进行空间周期性分布调控，周期性排布原子沉积于所述基板上，形成局部自溯源光栅结构，所述原子束传播方向与激光驻波场传播方向垂直。
进一步地，喷射原子束经过一狭缝或一横向激光光场以实现所述原子束的准直。
进一步地，所述原子束元素为铬、铁、钠、铝、镱中任一种。
进一步地，所述基板包括单晶硅、微晶玻璃或磷化铟材料。
进一步地，所述激光会聚驻波场由经过道威棱镜的入射光和经反射镜后按原路返回的反射光叠加形成，在扫描过程中，激光会聚驻波场的波节始终在反射镜的镜面上。
进一步地，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在制备过程中均保持一致。
进一步地，所述会聚光与基板的切光比例为10％～50％。
进一步地，所述道威棱镜设置于具有垂直微位移调节功能的位移台上。
进一步地，所述道威棱镜移动范围大于原子束沉积区域宽度的50％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在原子光刻技术基础上，利用使用道威棱镜控制激光会聚驻波场沿垂直于光栅沟槽方向扫描沉积区域，在实现自溯源光栅面积扩展的同时，可以保证每个光栅的连续性和光栅之间的平行性，光栅边缘光滑，而且充分利用了全部沉积区域的原子通量，并保证了扩展面积后的光栅具有极小的不确定度。
2、本发明在制备过程中仅控制激光会聚驻波场沿垂直于光栅沟槽方向移动，其他参数不变，激光会聚驻波场能量密度不降低，保证了光栅结构区域的全局准确性。
3、在保证冷却质量的基础上，利用本发明制备方式获得的自溯源光栅尺寸有望扩展到厘米量级。
附图说明
图1为本发明制备方法的实现示意图；
图2为局部自溯源光栅结构制备原理示意图；
图3为扫描原子光刻过程的光栅平行性示意图；
图4为本发明获得的大面积自溯源光栅局部结构典型图像(AFM图)；
图5为本发明获得的大面积自溯源光栅沿高斯方向峰谷高度分布图；
图中，1、会聚光，2、反射镜，3、原子束，4、基板，5、波节位置，6、道威棱镜，7、移动方向，8、光栅线，9、一维原子光刻光栅，10、激光会聚驻波场。
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。
在原子光刻研制自溯源光栅的过程中，驻波场的波节始终在主反射镜的镜面上，即使在上下移动的过程中同样会保持该特征，这为通过扫描的方法实现大面积自溯源光栅的研制奠定了技术基础。本发明即基于该发现产生。
本发明提供一种基于扫描原子光刻技术的大面积自溯源光栅制备方法，包括局部光栅生成步骤和扫描形成全局大面积光栅步骤，具体包括：
基于原子光刻技术，采用原子束和激光会聚驻波场的相互作用，在基板上进行局部自溯源光栅结构制备；
使用道威棱镜控制激光会聚驻波场沿垂直于光栅沟槽方向缓慢扫描沉积区域，扫描激光驻波场过程中保持激光频率与切光比例稳定，逐步实现沉积区域自溯源光栅全局覆盖，形成大面积自溯源光栅。
上述制备方法由如图1所示的原理示意图实现，图1中，由经过道威棱镜6的会聚光1(即入射光)和经反射镜2后按原路返回的反射光叠加形成激光会聚驻波场10，反射镜平面为驻波场的波节位置5，在扫描过程中，激光会聚驻波场的波节始终在反射镜的镜面上。基于原子光刻技术，采用原子束3和激光会聚驻波场10的相互作用，在基板4上形成局部自溯源光栅结构，沿移动方向7上下移动道威棱镜6，激光会聚驻波场10的高度就会随之改变，从而实现在沉积区域的自溯源光栅全局覆盖，形成大面积自溯源光栅。由于道威棱镜只改变驻波场的高度而不改变其他条件，通过改变会聚光的高度，形成光栅位置也会随之变化，且变化前后的光栅线8是完全连续且平行的。通过扫描驻波场的高度，使扫描区域大于或等于狭缝区域，这样就会让光栅覆盖整个狭缝区域大小的基板。
如图2所示为局部自溯源光栅结构制备的过程，具体包括：
(1)在真空环境下将金属粉末加热至升华状态并以泄流方式引出原子束3；
(2)喷射原子束经过一狭缝或一横向激光光场以实现原子束的准直，即横向速度的限制；
(3)准直后的原子束经过激光会聚驻波场进行空间周期性分布调控，周期性排布原子沉积于基板上，形成局部自溯源光栅结构，为一维原子光刻光栅9，原子束传播方向与激光驻波场传播方向垂直，激光会聚驻波场由两束会聚光1叠加形成。
在上述制备过程中，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均保持一致，其中，会聚光与基板的切光比例为10％～50％。
如图3所示为上述制备过程的光栅平行性示意图。会聚光1经过反射镜2反射之后有一个π的相位差，反射光与原光场干涉叠加形成驻波场在镜面处，图3中5所在平面为波节位置。由于上下移动驻波场时，波节位置始终处于镜面上，所以上下扫描驻波场形成的光栅线8既能保证连续，又能保证完全平行。
上述制备方法中，原子束元素为铬、铁、钠、铝、镱中任一种。基板包括但不限于单晶硅、微晶玻璃或磷化铟材料。
上述制备方法中，道威棱镜设置于具有垂直微位移调节功能的位移台上，通过控制位移台在垂直方向上的运动来改变威棱镜出射激光的高度，从而实现激光驻波场在垂直光栅沟槽方向扫描。可选地，道威棱镜移动范围大于原子束沉积区域宽度的50％。
实施例
本实施例采用的金属原子束为铬(Cr)，采用铬的大面积自溯源光栅制备方法包括如下步骤：
(1)在真空环境下将填充铬粉的坩埚加热至1550℃～1650℃之间使其达到升华状态，形成金属原子束。
(2)对Cr原子束进行准直即横向速度的限制。
本实施例中，经过高温原子炉喷发的原子束，经半径为5mm的小孔和3mm×1.5mm的狭缝进行准直，其大小也为3mm×1.5mm。
(3)将准直后的Cr原子束通过与其正交的激光会聚驻波场相互作用，在距离激光驻波场合适的位置放置原子沉积的基板4，在偶极力的作用下沉积到基板4上，在基板4上面形成节距为212.8nm的原子光刻光栅，即一维沉积光栅结构，如图2所示。
会聚激光波长为425.6nm，对应Cr原子的共振跃迁能级为会聚激光频率调节至该共振能级对应中心频率的正失谐(+250MHz)或负失谐(-250MHz)位置。因此，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。基板一般为硅或磷化铟材料。
(4)上下移动道威棱镜6，改变驻波场的高度，控制激光会聚驻波场沿垂直于光栅沟槽方向扫描沉积区域，逐步实现沉积区域自溯源光栅全局覆盖，形成大面积自溯源光栅。
图4为大面积自溯源光栅局部结构典型图像(AFM图)，光栅严格平行连续且光滑，而且该光栅遍布3mm×1.5mm区域，该图清晰地反映出使用扫描原子光刻方法研制大面积自溯源光栅结构具有很好的均匀性。
图5是基于扫描原子光刻研制的大面积自溯源光栅沿高斯方向峰谷高度分布图。由图可知，光栅沿着高斯方向面积扩展至1500微米，这相比于原先250微米的束腰面积来讲扩展到了6倍。而且，在1500微米跨度上光栅峰谷高度均超过10nm。
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。
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