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“短发射波长、高光束质量和长期稳定性,加上易用的设计,使得 Coherent OBIS 360 XT 激光器成为有吸引力的激光干涉光刻解决方案。”— Anton Savchenko,斯图加特大学光学技术学院 (ITO) 初级研究员
挑战
Anton Savchenko 是斯图加特大学光学技术学院 (ITO) 的初级研究员,他和他的同事使用激光干涉光刻 (LIL) 技术打造微结构和纳米结构。
周期性微结构和纳米结构在自然界很常见,且被广泛应用于科技领域。研究人员已打造出类似于蛾眼表面的纳米结构,这种结构可抑制光学器件中不需要的反射。周期性纳米结构的另一个例子是衍射光栅,衍射光栅的应用范围很广,包括从光谱分析到激光束改性的众多应用。可靠且可重复地打造这些结构是一个挑战。能够可靠地打造亚微米级周期性图样的方法凤毛麟角,激光干涉光刻是其中之一。
图 1:激光干涉光刻装置的示意图
激光干涉光刻可在光敏材料中形成周期性干涉图样。基本的激光干涉光刻装置基于劳埃德镜,自汉弗莱·劳埃德在 1884 年进行光性质研究以来变化不大。使用劳埃德镜的激光干涉光刻装置(图 1)的工作原理如下:来自光源的光穿过空间滤波器,并在传播过程中扩大。反射镜和样本垂直安装在装置的对面。样本上的光与反射镜反射的光互相干扰,从而产生干涉图样。干涉图样的周期与光源波长成正比。
用于激光干涉光刻的光源是一个关键组件,必须满足几个要求:短波长;较长的相干长度,以产生干涉条纹;以及较高的功率,以减少曝光时间。多年来,Ar+ 和 Kr+ 气体激光器是解决这个问题的首选。
然而,这些气体激光器不够高效,会产生非常大量的热,需要水冷和频繁维护,而且笨重。Anton Savchenko 和他的同事需要在实验室使用更好的激光干涉光刻解决方案。
解决方案
斯图加特大学光学技术学院的理学硕士 Savchenko 和他的同事使用多种方法来创建衍射图样,但他们需要更大面积的激光干涉光刻装置。
当他们决定为实验室配备新的激光干涉光刻系统时,他们理想中的光源是既能满足相干长度、光束质量和短发射波长这几方面的标准,又没有 Ar+ 和 Kr+ 气体激光器的尺寸、复杂性和热量问题。连续固态激光器似乎是大有可为的解决方案,于是该团队试用了 Coherent OBIS 360 XT 激光器。这款即插即用型的紧凑型设备能够免维护地长时间运行,只需一个散热器,无需额外的冷却装置。这款激光器的光束质量高(M2 接近 1),而且具有窄频谱带宽和长期功率稳定性,可确保激光干涉光刻的准确性和可重复性。这款激光器可实现小至 250 nm 的周期,发射波长为 360 nm。
图 2:使用我们的装置产生的衍射光栅
成果
有了配备 OBIS 360 XT 激光器的内部激光干涉光刻装置,斯图加特大学光学技术学院如虎添翼,能够更好地打造不同的周期性纳米结构。现在,他们能够在直径大至 180 mm 的范围内产生亚微米级衍射光栅。图 2 显示了产生的衍射光栅。对于该系统,他们的另一个目标应用是,利用具有亚波长衍射光栅的光栅波导结构来控制激光束偏振状态。
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