CN101477306A - 高速多光束并行激光直写装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于微纳加工的高速多光束并行激光直写装置，由刻写光源调制模块、刻写光头、离焦检测模块、照明与监控模块、样品位移台和主控模块组成，本发明提供多光束激光并行高速刻写，大大提高了刻写速度。可根据实际应用需要，将多光束的刻写子系统与不同运动方式的样品台组合成具有不同功能的刻写装置。

Description

高速多光束并行激光直写装置

技术领域

本发明涉及微纳米加工领域，特别是一种高速多光束并行激光直写装置，可应用于微机电系统(简称MEMS)器件制作、半导体芯片无掩模光刻、半导体掩模制作、二元光学器件制作等多个领域。

背景技术

21世纪纳米科技将成为推动世界各国经济发展的驱动力之一，将给医学、制造业、材料和信息通信等行业带来革命性的变革。激光直写技术作为众多微纳米加工手段中的一种，具有成本低、加工周期短、使用灵活、环境要求低等诸多优点，在微电子、集成光学(DOEs)、微机电系统(MEMs)，混合集成电路、微波集成电路制作方面获得广泛应用，是一种具有广阔发展前景的实用技术。

在先技术中，专利“模块化的激光直刻装置”(申请号200720072320.3)中提出一种微纳加工的激光直写装置，具有一定优点，但存在以下不足：

1.采用单光束逐点刻写样品，刻写速度过慢，在刻写大范围样品时需要时间过长。

2.无显微监视模块，无法观察样品表面情况。

3.待刻写的样品垂直于水平面，受重力影响较大，且无法装夹大范围样品。

4.以非实时的计算机为核心控制器，控制速度慢，无法实现高速刻写。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种高速多光束并行激光直写装置，要求到达刻写速度快、灵活性高、适用范围广、模块化程度高、扩展性强的特点。

本发明的基本工作原理是：被各自独立调制的多束激光，经刻写物镜会聚后成为多个光点聚焦在待刻写的样品表面，控制样品沿预先设计的路径移动的同时控制射向样品表面的各束激光的强度和脉冲时间，在样品表面多光点并行刻写出具有灰度分布的二维图形。

本发明的技术解决方案如下：

一种高速多光束并行激光直写装置，该装置的组成包括：

刻写光源调制模块，包括一台激光器、声光调制器和光谱分光镜；

刻写光头，由调焦驱动器和刻写物镜组成；

离焦检测模块，由半导体激光器、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、柱面镜、四象限光电探测器和温控单元组成；

照明与监控模块，包括照明光源、准直透镜、半透半反镜、目镜和感光元件；

样品位移台，包括样品台和样品；

主控模块，包括实时控制器和计算机；

上述元部件的位置关系如下：所述的样品水平地装夹在所述的样品台上，在一竖直的主光路上自上而下依次设置所述的感光元件、目镜、半透半反镜、第二偏振分光镜、光谱分光镜、刻写物镜和样品，所述感光元件、目镜、半透半反镜、第二偏振分光镜、光谱分光镜和刻写物镜同光轴；所述的主光路垂直所述的样品表面；

所述的声光调制器位于所述的激光器的出射光路上，所述的光谱分光镜位于所述的声光调制器的衍射光束光路上，所述的光谱分光镜的反射面与衍射光束中心成45°夹角，与主光路成45°夹角；

所述的刻写物镜固定在所述的调焦驱动器上，该调焦驱动器驱动刻写物镜沿主光路方向运动，所述的刻写物镜的光轴与所述的光谱分光镜的反射面成45°夹角；

所述的半导体激光器发出经准直后的平行激光，依次被第一偏振分光镜、第二偏振分光镜反射后，沿主光路透过所述的光谱分光镜和刻写物镜会聚在所述样品的表面，被该样品表面反射的反射光沿主光路返回，依次透过所述的刻写物镜、光谱分光镜，被第二偏振分光镜反射、透过第一偏振分光镜、柱面镜，最终落在所述的四象限探测器表面，所述第二偏振分光镜、第一偏振分光镜、柱面镜和四象限探测器同光轴，所述的温控单元包裹在半导体激光器金属外壳外；

所述的照明光源发出的非相干发散光束，被所述的准直透镜准直后，被所述的半透半反镜反射，沿主光路透过第二偏振分光镜、光谱分光镜、刻写物镜，对样品刻写区域进行照明，所述的目镜与所述的刻写物镜构成显微镜，将样品表面成像在所述的感光元件上；

所述的计算机与实时控制器相连，所述的实时控制器与所述的刻写光源调制模块、刻写光头、离焦检测模块、照明及监视模块、样品台分别相连，在所述的计算机的程序控制下，驱动各部件协调运动进行激光直写。

所述激光器为气体激光器、固体激光器或半导体激光器，

所述的调焦驱动器为压电陶瓷驱动器、音圈电机或电机位移台与压电陶瓷驱动器的组合体。

所述感光元件为电荷耦合器件，或互补式金属氧化物半导体。

所述的照明光源为发光二极管光源，或光纤冷光源。

所述的声光调制器与所述的光谱分光镜之间有双远心透镜组。

所述样品位移台的样品台用来装夹样品，在程序控制下带动样品沿一定预先设计好的路径运动。所述样品台水平放置，位于刻写物镜下方，且与刻写物镜光轴相垂直。所述样品台为二维直角平台、转盘或转动滚筒，可依据样品和待刻写的图形特性灵活选择。

所述主控模块包括实时控制器和计算机。所述计算机与实时控制器相连，实时控制器与刻写光源调制模块、刻写光头、离焦检测模块、照明及监视模块相连，控制样品平台运动、刻写光源模块的多脉冲发生以及刻写光头的伺服调焦。计算机负责处理人机交互事务，将相关操作转换为控制命令发送给实时控制器让其执行，并将执行结果显示在屏幕上，以供用户查看。

利用上述多光束激光直写装置加工微纳米器件的工作过程如下：

1.将样品放置在样品台上并装夹好。

2.打开照明光源，调节样品台与刻写物镜之间的距离，并通过计算机屏幕上显示样品表面的显微图像，观察聚焦情况，当屏幕上的光斑最小时，说明样品表面基本在物镜的焦深以内，粗聚焦调节成功。

3.关闭照明光源，防止从样品表面反射的光进入离焦检测模块，影响聚焦精度。

4.开启离焦检测模块中半导体激光器的电源，检测样品表面离焦量，主控模块根据该离焦量反馈控制调焦驱动器伸长或缩短，调节刻写物镜与样品间的距离，使刻写物镜对样品表面精确聚焦。在刻写样品过程中，聚焦负反馈一直进行。

5.计算机装载用户需要刻写的图形坐标及强度数据，并将其传输给实时控制器。

6.实时控制器根据待刻写的图形数据发出指令，控制样品台移动，并同步发出数字或模拟电脉冲调制刻写光源，刻写光源发出多束并行的光脉冲并会聚在样品表面，对样品进行刻写。

7.刻写完成后，关闭半导体激光器，开启照明光源电源，通过计算机屏幕上显示的感光元件上的成像信息观察刻写情况。

相对于先前专利，本发明具有以下优点：

1.采用多光束直接并行刻写，极大地提高了刻写速度。

2.将样品平面由与水平面垂直更改至与水平面平行，克服了重力对样品装夹产生的影响，样品的位置稳定性大幅提高，且可方便装夹多种不同尺寸的样品。

3.增加了照明和显微监控模块，可以直观观察样品装夹和刻写过程，最大限度地避免误操作和盲目操作，防止意外事故发生。

4.采用实时控制系统代替原有的以计算机为核心的非实时系统，极大地提高了刻写速度和系统可靠性。

5.采用温控单元稳定离焦检测用的半导体激光器温度，减少了半导体激光器的温度漂移，提高了聚焦精度。

总之，本发明采用多光束并行刻写，将刻写速度提高为单光束的N倍(N为光束数目)，而N最大可达数十个，如此大大缩短了刻写时间。同时，在本发明中，刻写光源和其它必要功能子模块被集成为刻写子系统，可根据实际需要选用适当运动范围和精度的样品位移平台，具有很强的通用性

附图说明

图1为本发明高速多光束并行激光直写装置的第一实施例结构示意图

图2为第一实施例的多光束刻写部分的原理图

图3为本发明的第二实施例结构示意图

图4为本发明的第二实施例的刻写部分原理图

图5为刻写光源调制模块的第一可选方案原理图

图6为刻写光源调制模块的第二可选方案原理图

图7为样品台的第一可选方案示意图

图8为样品台的第二可选方案示意图

图9为样品台的第三可选方案示意图

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

第一实施例

先请参阅图1，图1为本发明高速多光束并行激光直写装置第一实施例的总体结构示意图，图2为本实施例多光束刻写的基本原理图。本发明高速多光束并行激光直写装置由刻写光源调制模块1、刻写光头2、离焦检测模块3、照明及监视模块4、样品位移台5、主控模块6六大模块组成。

所述刻写光源调制模块1包括激光器101、声光调制器102、光谱分光镜103。所述激光器101为气体、固体或半导体激光，优选为半导体激光器。光谱分光镜102对激光器101发出的激光具有高反射率，对其它波长激光具有高透射率。所述的声光调制器102是现成的产品声光调制器102a，从声光调制器102a出射的光的衍射角与驱动其的射频信号的载频相对应，载频不同，衍射角也不同。所述声光调制器102a由实时控制器601所驱动，所述的实时控制器601可由市场采购，通过其内部直接数字频率合成器(DDS)输出由多个不同频率叠加在一起的射频信号驱动声光调制器102a，该声光调制器102a输出与之相对应的多个不同衍射角的光束。调制各个载频信号的幅度，则可以控制相对应的衍射光束强度，调节各个相邻载频之间的频差，则可以改变与之相对应光束的衍射角，进而改变各刻写点之间的间距。

所述的刻写光头2包括调焦驱动器201和刻写物镜202，调焦驱动器201控制刻写物镜202沿刻写光路方向运动，调节刻写物镜202与样品501之间的距离，使刻写光束焦点始终落在样品表面上。所述调焦驱动器201可以是压电陶瓷驱动器(以下简称PZT)、音圈电机或电机位移台与PZT的组合体。前一种运动范围较小，但精度较高，后两种调节范围较大，具体应用时可根据实际刻写速度和刻写范围选用恰当方式。所述刻写物镜202具有通用接口，可替换。

所述离焦检测模块3由红光半导体激光器301、第一偏振分光片302、第二偏振分光片306、柱面镜303、四象限探测器304以及温控单元305组成，此模块采用象散法进行离焦探测，温控单元305由半导体制冷器、热电偶、反馈控制电路组成，用来保持半导体激光器301的温度稳定，进而减少由温度变化引起的离焦误差，保证了聚焦精度。

所述照明及监视模块4由照明光源403、准直透镜404、半透半反镜405、目镜402、感光元件401组成，所述的目镜402和刻写物镜202构成显微镜，将样品501表面成像在感光元件401上，并最终显示在计算机602的显示器上，供用户查看样品装夹或刻写过程，以防止意外发生。所述的照明光源403为LED光源或光纤冷光源，所述感光元件401为电荷耦合器件(CCD)或互补式金属氧化物半导体(CMOS)。

上述刻写激光调制模块1、刻写光头2、离焦检测模块3、照明及监视模块4四模块构成刻写子系统，其具有刻写、监控、离焦检测三种基本功能，可与不同类型的样品位移台5灵活组合，实现不同的功能。

所述的样品位移台5包括样品501和可程序控制移动的样品台502，样品台502在计算机602的控制下，带动样品501在垂直于刻写激光束的平面内作运动。根据实际应用的不同，所述的样品台502有以下几种可选方案：

1)二维直角平台，如图7所示

a)小范围高精度应用，样品台502采用二维PZT平台。

b)大范围低精度应用，样品台502采用二维步进电机平台，并可附加光栅尺测距。

c)大范围高精度应用，样品台502采用电机平台+PZT+光栅尺(或双频干涉仪)测距的方式，步进电机完成大范围运动，PZT完成精细运动。

2)旋转平台，如图8所示，样品固定在转动的圆盘上，适合刻写圆形图形，如圆形衍射光学元件。

3)转动滚筒，如图9所示，样品被粘附在转动的圆形滚筒上。在刻写过程中，滚筒转动的同时，刻写光头2沿滚筒的轴线逐渐移动，则沿螺旋路径刻写

所述主控模块6包括实时控制器601和计算机602，实时控制器601至少具有如下功能：

1、在刻写过程中根据离焦检测模块)的检测结果的对刻写物镜202进行伺服聚焦控制。

2、控制样品台502沿一定路径运动。

3、向声光调制器102输出叠加有多个载频的射频信号，同步控制声光调制器102发出多光束脉冲。

所述计算机602负责处理人机交互事务，将相关操作转换为控制命令发送给实时控制器601让其执行，并将执行结果显示在屏幕上，以供用户查看。

图5是本发明的刻写光源调制模块1的第一个可选方案的原理图，所述的声光调制器102是由多个声光晶体组合成的声光调制器阵列102b，每个声光晶体都采用独立的压电晶体驱动，采用具有一定频差的射频信号驱动每个压电晶体，则与第一最优实施例类似，从声光调制器出射的激光也具有不同的衍射角，可通过调整各载频信号的幅度来调节各光束的强度，调节各载频信号之间的频差来调节相邻刻写点之间的间距。相对于第一最优实施例，各通道间相互干扰相对较弱，但声光调制器阵列制作难度加大。

图6是刻写光源调制模块1的第二个可选方案。刻写光源调制模块1中的刻写光源101采用封装在一起的多个半导体激光器阵列101c，其每个单元激光器发出的发散激光被刻写物镜202会聚在样品501的表面，控制单元激光器的电流可实现控制与之相对应的会聚点的激光功率强度的目的。相对于实施例一和可选方案一，其光路结构相对简单，但由于半导体激光器单元之间的间距固定，相邻刻写点之间的间距不可调。

利用上述实施例装置进行激光直写，其特征在于包括以下操作步骤：

1.将样品501放置在样品台502上并装夹好。

2.调节样品台502与刻写物镜202之间的距离，并通过计算机602屏幕上显示样品501表面的显微图像观察聚焦情况，当屏幕上的光斑最小时说明样品表面基本在物镜的焦深以内，粗聚焦调节成功。

3.关闭照明光源403，防止从样品表面反射的光进入离焦检测模块3影响聚焦精度。

4.开启离焦检测模块3中半导体激光器301的电源，检测样品501表面离焦量，主控模块6根据该离焦量反馈控制调焦驱动器201伸长或缩短，调节刻写物镜202与样品501间的距离，使刻写物镜202对样品501表面精确聚焦。在刻写样品过程中，聚焦负反馈一直进行。

5.计算机602装载用户需要刻写的图形坐标及强度数据，并将其传输给实时控制器601。

6.实时控制器601根据待刻写的图形数据发出指令控制样品台502移动，并同步发出数字或模拟电脉冲调制刻写光源101，刻写光源101发出光脉冲并会聚在样品501表面，对样品501进行刻写。

7.刻写完成后，关闭半导体激光器301，开启照明光源403的电源，通过计算机602显示屏幕上显示的感光元件401上的成像信息观察刻写情况。

第二实施例

第二实施例的总体结构示意图如图3所示，其工作原理如图4所示。相对于实施例一，本实施例的特点是在所述的声光调制器102与所述的光谱分光镜103之间加入双远心透镜组104，作用是将声光调制器出射的光束进行扩束并收集于刻写物镜202的入瞳处，并使光束充满刻写物镜202的入瞳，进而具有更小的会聚光斑，刻写点的尺寸更小。

Claims (7)

1、一种高速多光束并行激光直写装置，其特征在于该装置的组成包括：

刻写光源调制模块(1)，包括一台激光器(101)、声光调制器(102)和光谱分光镜(103)；

刻写光头(2)，由调焦驱动器(201)和刻写物镜(202)组成；

离焦检测模块(3)，由半导体激光器(301)、第一偏振分光镜(302)、第二偏振分光镜(306)、柱面镜(303)、四象限光电探测器(304)和温控单元(305)组成；

照明与监控模块(4)，包括照明光源(403)、准直透镜(404)、半透半反镜(405)、目镜(402)和感光元件(401)；

样品位移台(5)，包括样品台(502)和样品(501)；

主控模块(6)，包括实时控制器(601)和计算机(602)；

上述元部件的位置关系如下：所述的样品(501)水平地装夹在所述的样品台(502)上，在一竖直的主光路上自上而下依次设置所述的感光元件(401)、目镜(402)、半透半反镜(405)、第二偏振分光镜(306)、光谱分光镜(103)、刻写物镜(202)和样品(501)，所述感光元件(401)、目镜(402)、半透半反镜(405)、第二偏振分光镜(306)、光谱分光镜(103)和刻写物镜(202)同光轴；所述的主光路垂直所述的样品(501)表面；

所述的声光调制器(102)位于所述的激光器(101)的出射光路上，所述的光谱分光镜(103)位于所述的声光调制器(102)的衍射光束光路上，所述的光谱分光镜(103)的反射面与衍射光束中心成45°夹角，与主光路成45°夹角；

所述的刻写物镜(202)固定在所述的调焦驱动器(201)上，该调焦驱动器(201)驱动刻写物镜(202)沿主光路方向运动，所述的刻写物镜(202)的光轴与所述的光谱分光镜(103)的反射面成45°夹角；

所述的半导体激光器(301)发出经准直后的平行激光，依次被第一偏振分光镜(302)、第二偏振分光镜(306)反射后，沿主光路透过所述的光谱分光镜(103)和刻写物镜(202)会聚在所述样品(501)的表面，被该样品(501)表面反射的反射光沿主光路依次透过所述的刻写物镜(202)、光谱分光镜(103)，被第二偏振分光镜(306)反射、透过第一偏振分光镜(302)、柱面镜(303)，最终落在所述的四象限探测器(304)表面，所述第二偏振分光镜(306)、第一偏振分光镜(302)、柱面镜(303)和四象限探测器(304)同光轴，所述的温控单元(305)包裹在半导体激光器(301)金属外壳外；

所述的照明光源(403)发出的非相干发散光束，被所述的准直透镜(404)准直后，被所述的半透半反镜(405)反射，沿主光路透过第二偏振分光镜(306)、光谱分光镜(103)、刻写物镜(202)，对样品(501)刻写区域进行照明，所述的目镜(402)与所述的刻写物镜(202)构成显微镜，将样品(501)表面成像在所述的感光元件(401)上；

所述的计算机(602)与实时控制器(601)相连，所述的实时控制器(601)与所述的刻写光源调制模块(1)、刻写光头(2)、离焦检测模块(3)、照明及监视模块(4)、样品台(502)分别相连，在所述的计算机(602)的程序控制下，驱动各部件协调运动进行激光直写。

2、根据权利要求1所述的高速多光束并行激光直写装置，其特征在于所述的所述激光器(101)为气体激光器、固体激光器、半导体激光器或多个半导体激光器阵列。

3、根据权利要求1所述的高速多光束并行激光直写装置，其特征在于所述的调焦驱动器(201)为压电陶瓷驱动器、音圈电机或电机位移台与压电陶瓷驱动器的组合体。

4、根据权利要求1所述的高速多光束并行激光直写装置，其特征在于所述感光元件(401)为电荷耦合器件，或互补式金属氧化物半导体。

5、根据权利要求1所述的高速多光束并行激光直写装置，其特征在于所述的照明光源(403)为发光二极管光源，或光纤冷光源。

6、根据权利要求1所述的高速多光束并行激光直写装置，其特征在于所述的样品台(502)为二维直角平台、转盘或转动滚筒。

7、根据权利要求1至6任一项所述的高速多光束并行激光直写装置，其特征是在所述的声光调制器(102)与所述的光谱分光镜(103)之间有双远心透镜组(104)。

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