CN102649314B - 用于向光敏物质中空间分辨地输入电磁辐射的强度图案的方法和装置及其应用 - Google Patents

用于向光敏物质中空间分辨地输入电磁辐射的强度图案的方法和装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于空间分辨地通过光学成像系统将由电磁辐射组成的强度图案引入光敏物质(2)中的方法，所述光敏物质具有能通过光子照射改变的特性。这些特性包括液态的第一状态和至少一个第二状态，其中电磁辐射(4)通过所述光学成像系统(3)导入所述光敏物质(2)中并在这投影到预先确定的位置坐标上，以便在这些位置坐标处或在包围所述位置坐标的区域内形成物质特性的改变。为此，光学成像系统(3)的物镜透镜的表面(6)浸入液态的光敏物质(2)中，所述电磁辐射通过所述表面从所述光学成像系统中射出。本发明的主题此外还涉及一种用于实施所述方法的装置及其在形成微尺度或纳米尺度的结构中的应用。

Description

用于向光敏物质中空间分辨地输入电磁辐射的强度图案的方法和装置及其应用
技术领域
本发明涉及一种用于空间分辨地向具有能通过光子照射改变的特性的光敏(感光)物质引入由电磁辐射组成的强度图案的方法，以及一种用于实施这种方法的装置。本发明特别可以用在光学数据存储器的写、擦除和重写中应用，以及在微(米)尺度和纳米尺度的结构的构成中用途。所述应用或用途也是本发明的主题。
在本发明的范围内采用的物质作为初始状态具有液体的第一状态，并且其特性可以通过光子照射改变为至少一个第二状态。这种特性的改变这样来实现，电磁辐射通过光学成像系统传递到所述物质中，并在这里成像/投影到在预先确定的位置坐标上，以便在该位置坐标处或在围绕该位置坐标的区域中实现物质特性的改变。在不限定一般性的情况下，电磁辐射特别可以是经校准(kollimieren)的激光线，所述激光线通过所述光学成像系统投影、即聚焦到衍射临界的体积上。物质特性的改变可以是持久的并且这种改变例如在于液体状态到固态状态的改变；对于如存储数据的应用场合，物质特性的改变可能只是暂时的并例如通过对物质的热处理能够消除或者能自动恢复。持久的改变通常也可能是可逆或不可逆的。
所采用的光敏物质的液态的第一状态在本发明的范围内不应仅理解为本来意义上的液态集料状态(Aggregatzustand)，即物质这样的状态，在该状态下，物质的形状改变基本上不受到或者对于粘稠液态的流体只受到很小的、对于体积改变很大的阻力，相反，所述光敏物质在其液态的第一状态下也可以作为膏体、即作为固体-液体混合物或具有高固体物质含量的悬浮液存在，所述悬浮液必要时甚至不再具有流动性，而是抗刮(streichfest)的。
在本发明的范围内使用的电磁辐射在正常情况想是处于可见光谱范围或红外光谱范围内的光。因此，如果下面为了更为简单的示出或描述而提及“光线”、“光照射”和“曝光”，这只应理解为示例性的并且不排除在本发明的范围内必要时也用于具有其他波长的电磁辐射。
空间分辨地引入电磁辐射在本发明的范围内通过光学投影、特别是聚焦实现。当下面提及“聚焦”时，这表示向光敏物质中引入电磁辐射的光学投影的强度图案；由于在本发明的范围内也可以使用向光敏物质的内部的图像平面内进行其他的强度图案的投影。
背景技术
所述类型的方法和装置通常用于在光敏物质中曝光一维、二维或三维的结构(下面也称为：写)，以便特别是多维地存储数据或产生在纳米范围或微米范围的多维的物体或结构和掩模(Maske)。
在用于形成在宏观范围内的结构的立体光刻的领域中，例如在DE10111422A1中建议，将光线导入液态的光敏物质中，并在这里聚焦，此时所述物质应从其液态的状态转化到固态的状态。物质特性的这种改变在理想情况下精确地在聚焦的范围内进行。这既可以通过线性的也可以通过非线性的效应实现：所述物质线性地反应，但具有强度极值，在该强度极值以下不再能够或不能充分地由于光照射而发生改变，或者所述物质非线性地反应，特别是在双光子光聚合或多光子光聚合的方法中就是这种情况。在后面一种方法中，在焦点处物质的特性改变的概率通过这里相对于周围提高的强度而升高。
特别是当较为精确地且仅在焦点处引起物质的改变时，精确地、空间分辨地向光敏物质中引入经聚焦的光线则适用于制造三维的结构。由于通过适当的成像系统，例如用于使基体运动的压电台或使射线偏转的装置，如电流镜、微镜致动器、光的空间调制器或声光反射器，焦点可以扫描光敏物质中较大的一个三维延展的写区域。但这不是如由DE10111422A1已知的立体光刻法所着重的，但特别对于纳米尺度和微尺度的结构的形成、光波导体或用于空间分布地可写的数据存储器是有意义的，在这种存储器中主要的着眼点在于结构的高分辨率，并因此必须与浸接剂(Immersionsmittel)相结合地使用物镜。为了在此时克服与所使用的光的波长相关的衍射极限，即阿贝(Abbe’sche)极值，在EP1616344B1中建议，空间分辨地改变物质的特性利用衍射临界的信号激励并且所述改变同时能利用偏移的衍射临界的信号局部地重新失活(Abregen)。
但如在投影的光学装置领域很普遍的情况那样，沿所采用的光学成像系统的光轴的位置坐标的改变时，会出现随着写深度、即随着在具有不是最佳匹配的折射率的光程中的材料数量的增加而增加的投影误差或像差(Aberration)。因此，在现有技术中，只能以非常有限的高度形成三维结构。
在双光子或多光子吸收式光刻的领域中，已知这样一种方法，该方法试图通过利用预补偿静态地消除投影误差问题。在出版物“APPLIEDOPTICS”，第27卷，第26号(1998)中记载了一种方法，该方法采用两个沿光轴能运动的管状透镜(Tubuslinse)。通过管状透镜的相对偏转能产生所有数量级的像差，这些像差可以这样选择，使得它们恰好部分地预先补偿后面的光学系统的误差。这种方法只允许部分地补偿像差并且在技术上要求是非常高的，因为采用了附加的可能导致误差的部件并且必须使这些部件运动。此外，对于每个曝光平面必须沿光轴将管状透镜调整到新的相对位置。此外，由于管状透镜投影沿着光轴移动，从而经补偿的投影会失真或被压缩(gestaucht)。在一些情况下，在经补偿的投影中，入射的曝光量还会改变，这对于最终形成的结构起不利的作用。
发明内容
由所述现有技术出发，本发明的主要目的在于，在所述类型的方法和装置中基本上避免投影误差或使投影误差沿成像系统的光轴基本上保持恒定。
所述目的通过根据本发明的方法和装置来实现。
将在下文中描述根据本发明的方法的有利的改进方案以及根据本发明的装置的优选的实施形式。同时也将描述根据本发明的方法的优选应用以及根据本发明的装置的优选应用。
根据本发明这样实现所述目的，光学成像系统的物镜或物镜透镜的表面浸入液态的光敏物质中，在所述光敏物质中应产生物质特性的改变，电磁辐射、特别是光线通过所述物镜或物镜透镜的表面从光学成像系统中射出。光敏物质因此起到浸接系统的作用，从而通过使用合适的浸接物镜能够接近或者甚至完全消除投影误差。即使在物镜透镜和光敏物质的折射率不是理想地匹配(一致)的情况下，本发明与目前为止的情况相比也能实现明显更好的结果，并且在整个写区域中的投影是相同的。
根据本发明的效应的主要原因在于，在现有技术中基本上取消始终在光敏的物质和光学成像系统的物镜之间存在的分界面。因为这种分界面原则上会导致投影误差。
就是说，利用根据本发明的方法可以避免与理想光学投影的像差，其方式是，光敏物质同时用作浸接剂，其中信号，即焦点或通过光学成像系统入射的电磁辐射、例如光线的其他强度图案投影到光敏物质内部的写区域上，使得物镜透镜和信号的图像平面之间的距离在所述写区域内具有恒定的值。由于光学系统的折射率不匹配导致的像差沿光轴保持恒定(并且在理想情况下恒为零)，光敏物质可以在整个写区域中以相同的焦点或强度图案被曝光。
此外，本发明的另一个大的优点在于，能够投影的位置坐标在光学成像系统的光轴方向的延伸长度不再受到物镜的工作距离的限制。这是因为物镜在向预先确定的位置坐标投影、特别是在光线聚焦时直接进入光敏物质。由此可以在光敏物质中写出三维的结构，该结构沿光轴方向的延伸尺寸与现有技术中能制造的结构相比可以大很多并由此也高很多，并且还能够保持极高的空间分辨率。
根据本发明的方法和相应的装置优选用于在光敏物质的内部在写区域内产生一维、二维和/或三维的结构。
在这种新的方法的一个优选变型方案中，写信号或各写信号(例如在上面根据DE10111422A1记载的STED光刻法中可能需要多个信号)由可见的或近红外的电磁频谱中的射线组成。光源例如可以使脉冲式的激光器或持续输出激光器。但同样可以选择UV范围或者中或远红外范围内的电磁射线。此外，曝光机理例如可以是(光)化学的和/或热(敏)式的。
利用本发明能够将光学系统用于以恒定的像差或没有像差地制造具有特别小的投影误差的光学数据存储器。通过选择合适的光敏物质可以对这种光学存储器进行写、擦除和重写操作。
同样可以以通常不能实现的精度在光敏物质内部的整个写区域上形成微观结构和纳米结构。
通过要在光敏物质中产生的一维、二维和/或三维的结构的层状构造可以避免，穿过已经预先结构化的材料进行曝光或写入。这是因为通常当所述光敏物质由于光子照射改变时，所述光敏物质的折射率发生改变。如果光线通过已改变的材料聚焦或投影到所述光敏物质中，这可能导致另外的投影误差。
液态的光敏物质优选施加到一个用作基体的固体物体上，例如玻璃板或其他任意成形的必要时也可以是不透明的物体上，并且此时光学成像系统浸入液态的光敏物质中。所述基体由此不是位于光敏物质和光学成像系统之间，从而因此避免了由于分界面造成的另外的投影误差，并且要写入的结构的高度不会由于投影系统的物镜的工作距离而受到限制。
根据本发明的该变型方案的一个改进方案，采用透明的盘状或板状的固体物体作为基体，所述固体物体在两侧携带液态的光敏物质。在基体朝向光学成像系统的侧面上，光敏物质此时根据本发明用作浸接剂，其中光线可以不只是聚焦到所述同时起浸接剂作用的光敏物质中，而是在需要时也可以穿过该物质和基体进入在背向的侧面施加到基体上的光敏物质。在两个基体侧面上的结构的定向的精度可以根据本发明比目前为止的现有技术中的情况高很多，这是因为能够在一个步骤中直接在两个基体侧面上形成结构。如根据现有技术必需的基体的旋转和对齐可以取消。
对于本发明，作为电磁辐射的辐射源或作为光源优选采用在UV、可见光或近红外的电磁频谱内的激光器，特别是持续输出激光器或脉冲式的激光器。液态的光敏物质在本发明的范围内可以通过光子照射按物理、热和/或化学的方式局部地发生改变。
光敏物质的物质特性的改变可以如本身由现有技术已知的那样通过单光子工艺或多光子工艺激活和/或去活。
如上所述，根据本发明的装置和方法特别地并且有利地可以用于对数据存储器进行写和/或擦除以及用于产生微尺度或纳米尺度的结构。在后面一种情况下，光敏物质的通过光子吸收改变的各点或区域接下来可以通过选择性的显影过程被释放或除去。
本发明基于这样的认知，即投影到光敏的物质中的电磁辐射的强度图案、特别是光线的焦点随着写深度的增加，就是说随着向折射率不匹配的光敏物质的进入深度的增加使投影误差沿成像系统的光轴集中，并由此不再允许实现精确的空间分辨。如果通过这种光敏物质入射，则投影误差越强，光敏物质与空气或基体之间的折射率差距越大。根据本发明不是一定要消除投影误差，而只是在写区域内部沿成像系统的光轴使投影误差保持恒定或至少基本上保持恒定，从而可以在光敏物质的内部实现高精度的空间分辨率。
附图说明
下面根据附图详细说明和解释本发明的装置的一个实施例以及根据本发明实施的方法的试验结果。图中：
图1示出对本发明重要的装置部件的布置形式的示意图；
图2示出利用根据本发明的方法制造的三维微结构的图形；
图3示出根据现有技术按与图3相同的样本制造的三维微结构的图形；
图4示出另一个根据本发明的方法制造的微结构的图形；
图5示出另一个根据本发明的方法制造的微结构的图形。
具体实施方式
图1示出本发明的核心构思的示意图。在一个基体1上设有液态的光敏物质2，所述光敏位置这里由一种在光刻技术中已知的液体的光敏漆系统构成，这种光敏漆系统具有载n～1.3和n～1.7之间的折射率。一个(未示出的)光源，这里是近红外范围内的激光器，通过具有物镜3光学成像系统，例如显微镜向光敏物质2中进行投影并且聚焦在一个图形平面8中的焦点5处，以便在焦点5的区域中引起光敏物质2的特性的改变，这里这种投影通过光线4表示。光线4从物镜3的一个物镜透镜的表面6射出，其中根据本发明该表面5浸入所述光敏物质2中，以便避免在表面和光敏物质之间出现可能的分界面。
物镜3是浸接物镜；这种物镜通常制成为用于油(n～1.5-1.7)、甘油(n～1.47)或水(n～1.3)的折射率。如果在这种构型中物镜与光敏漆2的折射率相匹配，则原理上可以使图像平面8沿光轴7移动并以恒定的像差投影和形成结构。这种投影特别可以是高斯(Gauss'sch)焦点。在物镜3理想地起作用的折射率和光敏物质2的折射率之间的差别较小的正常情况下，尽管不能没有像差误差地形成结构，但这种误差在沿光轴7的整个写深度上是恒定的，这即使在没有完美适配的系统中也能够实现相对于现有技术明显的改进。下面借助于所述的图2和3清楚地说明。
图2示出三维结构的投影，所述三维结构在根据图1的布置形式中通过在IP-L中写入并通过接下来对光敏物质的显影而形成。这里采用用于折射率n～1.52的油物镜和折射率n～1.48的光敏漆。如图中可以很好地看出的那样，样品/模型、即纽约自由女神像以约300pm的总尺寸写入光敏物质中。
在图3中示出的结构中样品也是总高约300pm的自由女神像；但该样本不能以要求的精度投影到光敏物质中，因为这里采用了根据现有技术的方法。
图4也示出三维结构的投影，所述三维结构在根据本发明设计的根据图1的布置形式中形成。如已经在图2中示出的那样，这里也曝光形成纽约自由女神像作为三维结构。但如在图4中示出的尺寸比例，这里写入一个大得多的结构：这个自由女神像以相对于图2不变的高分辨率以及高的细节忠实度/细节还原度(Detailtreue)具有大得多的尺寸；其总高为约1mm。根据在图4中示出的这个例子可以看到，利用本发明能够向光敏物质中写入这样的三维结构，这种三维结构沿光轴的延伸尺寸大于用于写或曝光的物镜的工作距离。并且如图所示，这是以极高的空间分辨率实现的。
图5最终示出使用根据本发明的方法用光光刻法制成的三维结构的另一个例子，其中该结构的总高为约200pm，并且尽管具有这样的总高能在空间分辨上仍具有此前为止无法实现的细节忠实度。

Claims (19)

1.用于空间分辨地通过光学成像系统将电磁辐射的强度图案引入光敏物质中的方法，所述光敏物质具有能通过光子照射改变的特性，这些特性包括液态的第一状态和至少一个第二状态，其中电磁辐射(4)通过所述光学成像系统(3)导入所述光敏物质(2)中并在这投影到预先确定的位置坐标上，以便在这些位置坐标处或在包围所述位置坐标的区域内形成物质特性的改变，其特征在于，光学成像系统(3)的物镜透镜的表面(6)伸入液态的光敏物质(2)中，所述电磁辐射通过所述表面从所述光学成像系统中射出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用该方法将电磁辐射(4)的所投影的强度图案向光敏物质(2)中写入为一维、二维和/或三维的结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，一维、二维和/或三维的结构以多个投影的强度图案顺序或同时地写入，并且为此使用一个或多个光学成像系统。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将所述液态的光敏物质(2)施加到用作基体(1)的固体物体上，然后将所述光学成像系统(3)浸入所述液态的光敏物质(2)中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用透明的盘状或板状的固体物体作为基体(1)，并在两侧向基体(1)上施加液态的光敏物质(2)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为电磁辐射(4)的源采用激光器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将电磁辐射聚焦到预先确定的位置坐标上而实现强度图案的投影。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液态的光敏物质(2)通过光子照射以物理、热和/或化学的方式局部发生改变。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光敏物质(2)的特性的改变通过单光子工艺或多光子工艺激活和/或去活。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述激光器为UV、可见光或近红外电磁频谱内的持续输出激光器或脉冲式激光器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法的应用，用于形成微尺度或纳米尺度的结构。
12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，所述光敏物质(2)的通过光子照射改变的各点或各区域接下来通过选择性的显影过程释放或除去。
13.用于空间分辨地将由电磁辐射构成的强度图案引入光敏物质(2)中的装置，所述装置包括光敏物质(2)，所述光敏物质的特性通过光子照射能够在液态的第一状态和至少一个第二状态之间变化，所述装置还包括辐射源和光学成像系统(3)，用于将来自辐射源的电磁辐射(4)导入所述光敏物质(2)以及用于在所述光敏物质(2)中将所述电磁辐射(4)投影到预先确定的位置坐标(5)上，以便在这些坐标上或在包围这些坐标的区域内实现物质特性的改变，其特征在于，所述装置构造成，使得光学成像系统(3)的物镜透镜的表面(6)为了向所述光敏物质(2)引入电磁辐射(4)而浸入所述光敏物质中，电磁辐射(4)通过所述表面从光学成像系统中射出。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，存在多个光学成像系统(3)，以便向所述光敏物质(2)中投影多个强度图案(4)。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，所述光敏物质(2)施加在用作基体(1)的固体物体上。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述光敏物质(2)在两侧施加在用作基体(1)的、盘状或板状的、透明的固体物体上。
17.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，用于电磁辐射的辐射源是激光器。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述激光器为UV、可见光或近红外电磁频谱内的持续输出激光器或脉冲式激光器。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的装置的用途，用于形成微尺度或纳米尺度的结构。
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