一種結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統及其方法技術方案

本發明專利技術公開了一種結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統，其是可以在定位樣品中的單量字點位置后，直接切換至直寫光刻功能，達到很好銜接的光刻系統。為了實現在定位量子點后直接進行微納結構的制作，需要這樣一套結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統。這套系統在探測端使用單光子探測器以及單光子計數板卡組合而成的單光子探測系統，并記錄坐標，能夠實現激光直寫的加工功能，又能完成量子點的泵浦與探測，還能將這兩個功能有機的結合起來。

【技術實現步驟摘要】
一種結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統及其方法
本專利技術涉及激光直寫、單量字點定位、單光子HBT實驗、自動控制
，特別是一種結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統及方法。
技術介紹
單光子源是量子通訊等激動人心的研究領域的關鍵的器件，相較于外延量子點、單分子等單光子源解決方案，基于膠體量子點的單光子源有著能工作于室溫、效率高、穩定等很多重要優點；但是也存在著熒光閃爍效應以及制作時定位困難等缺陷。在使用膠體量子點作為發光材料的單光子源器件制備中，遇到的一大難點就是量子點的定位。因為膠體量子點都是使用化學方法合成的，在器件制備過程中需要使用旋涂或者拖拉等方法來將膠體量子點涂布于器件上，這一過程中膠體量子點是隨機地在器件上進行分布的。又因為要制備單光子源，需要使用單膠體量子點，所以膠體量子點在器件上的密度會很低，無法通過直接批量制作器件來概率性覆蓋量子點的方法來制作。所以在制作基于膠體量子點的單光子器件的過程中，需要一種精確的量子點定位技術。我們所采用的方案，是開發一套聯合單量子點定位功能的激光直寫無掩模光刻系統來進行膠體量子點的定位與結構制作。在目前的微納加工領域，光刻是非常關鍵也是非常重要的一步工藝。它直接決定了我們所設計的圖形能不能準確的轉移到樣品基片上。光刻從形式上可以分為兩大類，有掩模光刻和無掩模光刻。無掩模光刻技術，顧名思義，在光刻過程中不需要掩模的參與，直接將圖形寫到光刻膠上。掩模版本身也是通過無掩模光刻技術來制作的，所以無掩模光刻技術的精度決定了有掩模光刻技術的精度。無掩模光刻技術按照光源可以分為電子束直寫，離子束直寫，光學無掩模光刻等。光學無掩模光刻是使用光源按照輸入的版圖直接照射光刻膠的技術方案，常見的有全息曝光、SLM(空間光調制器)無掩模光刻，激光直寫等。激光直寫技術通過透鏡系統將藍紫激光聚焦后，照射到涂布光刻膠的樣品表面，再由程序控制移動光源透鏡或是樣品來完成圖形。激光直寫的優勢在于與有掩模常規光刻可以使用同樣的光刻膠及工藝，兼容性較好。目前國內外所開發的激光直寫設備一般都是通用的無掩模光刻系統，而對于基于單膠體量子點的單光子結構來說，所需要的是帶量子點定位功能的激光直寫系統，希望能把樣品放置于機器上，完成找點定位后，直接切換至直寫光刻功能，實現帶定位的量子點單光子結構與器件的制作。所以針對這一需求，我們提出了一套結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統。
技術實現思路
本專利技術目的在于提出一種結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統，其是可以在定位樣品中的單量字點位置后，直接切換至直寫光刻功能，達到很好銜接的光刻系統。為了實現在定位量子點后直接進行微納結構的制作，需要這樣一套結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統。這套系統在探測端使用單光子探測器以及單光子計數板卡組合而成的單光子探測系統，并記錄坐標，能夠實現激光直寫的加工功能，又能完成量子點的泵浦與探測，還能將這兩個功能有機的結合起來。本專利技術提出了一種結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統，包括：單光子反聚束測試光路系統，利用紅外激光器發出的紅外激光在樣品上所成的像，將所述樣品自動對焦至顯微物鏡的焦平面，并利用所述顯微物鏡以及紅外激光器發出的紅外激光激發樣品上的量子點發光，進而定位得到樣品上的單量子點坐標；控制器系統，其用于控制所述樣品的移動，并根據所述單光子反聚束測試光路系統得到的單量子點坐標編寫激光直寫版圖文件；激光直寫曝光光路系統，利用紅外激光器發出的紅外激光在樣品上所成的像，將所述樣品自動對焦至顯微物鏡的焦平面，并根據所述激光直寫版圖文件和紫光激光器發出的紫光對所述樣品進行激光直寫，以將所述激光直寫版圖文件的圖形轉移到樣品表面的光刻膠上。本專利技術還提出了一種利用上述的結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統進行激光直寫曝光光刻方法，其包括：步驟1、將三維電控平移臺(14)復位，在三維電控平移臺(14)上放置并固定好已旋涂光刻膠的樣品(5)；步驟2、打開紅光激光器(6)，然后將三維電控平移臺(14)的Z軸上升到顯微物鏡(4)焦平面附近；步驟3、正式對樣品(5)曝光前，使用控制器(16)記錄三維電控平移臺(14)的Z軸處在顯微物鏡(4)焦平面附近不同高度處，由CCD(15)收集到的多幅圖像，將所述多幅圖像及所述樣品(5)與顯微物鏡(4)焦平面的相對位置合并存儲為聚焦控制圖像集；步驟4、正式曝光中，使用所述聚焦控制圖像集將樣品(5)自動對焦，使樣品(5)移動至顯微物鏡(4)的焦平面處；步驟5、打開紫光激光器(1)，打開電子快門(2)，所述紫光激光器發出的紫光經過所述激光直寫曝光光路系統中的光路聚焦到樣品(5)上，由控制器(16)根據所述激光直寫版圖文件中的圖形，驅動三維電控平移臺(14)在顯微物鏡(4)的焦平面上沿XY軸進行劃線移動，使得樣品(5)上被紫光激光聚焦照射到的部分被曝光直寫；步驟6、對樣品(5)進行顯影，完成激光直寫曝光光刻過程。本專利技術還提出了一種利用上述的結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統定位單量子點的方法，包括：：步驟1、將三維電控平移臺(14)復位，在三維電控平移臺(14)上放置并固定好已旋涂光刻膠的樣品(5)；步驟2、打開紅光激光器(6)，然后將三維電控平移臺(14)的Z軸上升到顯微物鏡(4)焦平面附近；步驟3、使用控制器(16)記錄三維電控平移臺(14)的Z軸處在顯微物鏡(4)焦平面附近不同高度處，由CCD(15)收集到的多幅圖像，將所述多幅圖像及所述樣品(5)與顯微物鏡(4)焦平面的相對位置合并存儲為聚焦控制圖像集；步驟4、利用所述聚焦控制圖像集將樣品(5)自動對焦，使樣品(5)移動至顯微物鏡(4)的焦平面處；步驟5、由控制器(16)驅動三維電控平移臺(14)在顯微物鏡(4)的焦平面上沿XY軸進行掃描，掃描過程中聚焦在所述紅外激光發出的紅外激光激發樣品(5)的量子點發光，量子點所發的光經過單光子反聚束測試光路系統后被送入單光子探測器對(12)，并由單光子探測器對(12)對所述量子點發的光的強度信號進行監測；步驟6、當單光子探測器對(12)中檢測到強度信號時，停下三維電控平移臺(14)，并開始使用計數板卡(13)進行二階相干函數測量，如果出現典型的單光子反聚束測試實驗二階相干函數曲線，則記錄下所述三維電控平移臺(14)此時的坐標，該坐標即為當前檢測到的單量子點坐標；步驟7、以所檢測到的單量子點坐標為依據編寫激光直寫版圖文件。本專利技術提出了一種利用上述的激光直寫光刻系統進行單量子定位并進行激光直寫曝光光刻的方法，其包括：步驟1、將三維電控平移臺(14)復位，在三維電控平移臺(14)上放置并固定好已旋涂光刻膠的樣品(5)；步驟2、打開紅光激光器(6)，然后將三維電控平移臺(14)的Z軸上升到顯微物鏡(4)焦平面附近；步驟3、使用控制器(16)記錄三維電控平移臺(14)的Z軸處在顯微物鏡(4)焦平面附近不同高度處，由CCD(15)收集到的多幅圖像，將所述多幅圖像及所述樣品(5)與顯微物鏡(4)焦平面的相對位置合并存儲為聚焦控制圖像集；步驟4、利用所述聚焦控制圖像集將樣品(5)自動對焦，使樣品(5)移動至顯微物鏡(4)的焦平面處；步驟5、由控制器(16)驅動三維電控平移臺(14)在顯微物鏡(4)的焦平面本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統，包括：單光子反聚束測試光路系統，利用紅外激光器發出的紅外激光在樣品上所成的像，將所述樣品自動對焦至顯微物鏡的焦平面，并利用所述顯微物鏡以及紅外激光器發出的紅外激光激發樣品上的量子點發光，進而定位得到樣品上的單量子點坐標；控制器系統，其用于控制所述樣品的移動，并根據所述單光子反聚束測試光路系統得到的單量子點坐標編寫激光直寫版圖文件；激光直寫曝光光路系統，利用紅外激光器發出的紅外激光在樣品上所成的像，將所述樣品自動對焦至顯微物鏡的焦平面，并根據所述激光直寫版圖文件和紫光激光器發出的紫光對所述樣品進行激光直寫，以將所述激光直寫版圖文件的圖形轉移到樣品表面的光刻膠上。

【技術特征摘要】
1.一種結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統，包括：單光子反聚束測試光路系統，利用紅光激光器發出的紅光激光在樣品上所成的像，將所述樣品自動對焦至顯微物鏡的焦平面，并利用所述顯微物鏡以及紅光激光器發出的紅光激光激發樣品上的量子點發光，進而定位得到樣品上的單量子點坐標；控制器系統，其用于控制所述樣品的移動，并根據所述單光子反聚束測試光路系統得到的單量子點坐標編寫激光直寫版圖文件；激光直寫曝光光路系統，利用紅光激光器發出的紅光激光在樣品上所成的像，將所述樣品自動對焦至顯微物鏡的焦平面，并根據所述激光直寫版圖文件和紫光激光器發出的紫光對所述樣品進行激光直寫，以將所述激光直寫版圖文件的圖形轉移到樣品表面的光刻膠上；其中，所述單光子反聚束測試光路系統包括：波長700nm以上高反鏡(8)，用于反射樣品(5)發出的光；收集透鏡(9)，用于收集經由波長700nm以上高反鏡(8)反射的樣品發出的光，并將其耦合入光纖(10)中；光纖(10)，用于傳輸經收集透鏡耦合的光；光纖分束器(11)，把經由收集透鏡(9)耦合入光纖的光耦合到兩路輸出光纖中；單光子探測器對(12)，由兩個完全相同的單光子探測器組成，分別接收由光纖分束器(11)輸入的兩路光，并對其進行單光子探測，每探測一個單光子，就輸出一個電脈沖信號；單光子計數板卡(13)，用于接收單光子探測器對(12)輸出的電脈沖信號，并對其進行處理獲得單量子點的坐標。2.根據權利要求1所述的結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統，其中所述激光直寫曝光光路系統包括：紫光激光器(1)，用于產生波長在300nm-450nm范圍內的紫光；電子快門(2)，用于控制紫光的通過與否；紅光激光器(6)，用于產生波長在600nm-700nm范圍內紅光激光；第一半透半反鏡(3)，用于透射通過所述電子快門的部分紫光，并反射被樣品(5)反射后被顯微物鏡(4)收集的紫光和紅光激光；第二半透半反鏡(7)，用于反射紅光激光器(6)發出的紅光紅光激光，將其輸入至顯微物鏡(4)，同時反射被第一半透半反鏡(3)反射后的紫光和紅光激光，將其送入CCD(15)進行成像；顯微物鏡(4)，用于將透過所述第一半透半反鏡(3)紫光聚焦到樣品(5)上，并將紅光激光器(6)產生的紅光激光聚焦到樣品上；同時聚焦到樣品上的紫光和紅光激光被樣品(5)反射后，由所述顯微物鏡(4)所收集；三維電控平移臺(14)，用于承載樣品(5)，并在控制器系統的控制下在三維平面內移動所述樣品(5)；CCD(15)，用于獲取入射的光線并對其進行成像。3.根據權利要求1所述的結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統，其中控制器系統包括：一控制器(16)，用于控制電子快門(2)的開啟與閉合，收集CCD(15)所成的像并進行分析，控制三維電控平移臺(14)的移動，并采集計數板卡(13)獲取的信息并進行分析。4.根據權利要求1所述的結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統，其中所述激光直寫曝光光路系統中光路走向包括以下兩種：第一種光路走向：由紫光激光器(1)發出用于對樣品(5)表面的光刻膠感光的紫光后，經過電子快門(2)，穿過第一半透半反鏡(3)，通過顯微物鏡(4)后聚焦在樣品(5)上；而后聚焦光斑被樣品(5)反射后通過顯微物鏡(4)收集，被第一半透半反鏡(3)反射后，穿過波長700nm以上高反鏡(8)與第二半透半反鏡(7)后，入射進CCD(15)；第二種光路走向：由紅光激光器(6)發出用于自動對焦的紅光激光后，被第二半透半反鏡(7)反射，穿過波長700nm以上高反鏡(8)后，再被第一半透半反鏡(3)反射，通過顯微物鏡(4)后聚焦在樣品(5)上；而后聚焦光斑被樣品(5)反射后通過顯微物鏡(4)收集，被第一半透半反鏡(3)反射，穿過波長700nm以上高反鏡(8)與第二半透半反鏡(7)后，入射進CCD(15)。5.根據權利要求1所述的結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統，其中單光子反聚束測試光路系統中的光路走向包括：聚焦在樣品(5)上的紅光激光激發樣品(5)上的量子點發光；樣品(5)上的量子點發的光通過顯微物鏡(4)收集，并被第一半透半反鏡(3)反射，再被波長700nm以上高反鏡(8)反射，通過收集透鏡(9)收集后耦合進光纖(10)中，再經過光纖分束器(11)，光被分配到兩路輸出光纖中，最后分別送入單光子探測器對(12)中，用于探測是否為單量子點發出的單光子。6.根據權利要求1所述的結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統，其中，所述樣品上的量子點材料的發光波長大于等于800nm，包括：CdSe膠體量子點；PbS、PbSe膠體量子點；InGaAs量子點；InP和GaN量子點材料。7.一種利用權利要求2所述的結合單量子點定位功能的激光直寫光刻系統進行激光直寫曝光光刻方法，所述控制器系統包括：控制器(16)，用于控制電子快門(2)的開啟與閉合，收集CCD(15)所成的像并進行分析，控制三維電控平移臺(14)的移動，并采集計數板卡(13)獲取的信息并進行分析；所述方法包括：步驟1、將三維電控平移臺(14)復位，在三維電控平移臺(14)上放置并固定好已旋涂光刻膠的樣品(5)；步驟2、打開紅光激光器(6)，然后將三維電控平移臺(14)的Z軸上升到顯微物鏡(4)焦平面附近；步驟3、正式對樣品(5)曝光前，使用控制器(16)記錄三維電控平移臺(14)的Z軸處在顯微物鏡(4)焦平面附近不同高度處，由CCD(15)收集到的多幅圖像，將所述多幅圖像及所述樣品(5)與顯微物鏡(4)焦平面的相對...

【專利技術屬性】
技術研發人員：許興勝，高永浩，黃昕楠，黎星云，
申請(專利權)人：中國科學院半導體研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11