CN110837215A - 一种可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法，通过DOE进行位相调制可超越衍射极限，提高“光针”的分辨率和焦深；通过光学扫描可实现“光针”在光刻胶平面上的移动，提高激光直写光刻速度。光学扫描系统利用二维振镜系统来产生X轴和Y轴两个方向的‑10°到+10°的小角度偏转。沿X轴方向振动的为X轴振镜，沿Y轴方向振动的为Y轴振镜，该振镜分别由两个驱动器驱动，入射径向偏振光经X、Y轴振镜后，斜入射依次经扫描透镜、套筒透镜、纯相位型二元光学元件及高数值孔径显微物镜后，在焦平面附近产生沿X轴和Y轴移动的分辨力、焦深、均匀性均不受角度偏转影响的“光针”。提高了激光直写光刻的分辨力、焦深以及直写效率。

Description

一种可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法

技术领域

本发明属于微纳加工领域，特别涉及一种可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法。

背景技术

激光直写光刻是制作衍射光学元件的主要技术之一，激光直写光刻相比传统的掩模光刻，具有无掩模、加工灵活、对基底表面平整度要求低等优点。目前，激光直写技术主要应用于集成电路制造，材料表面处理和刻蚀，衍射光学元件加工，微纳结构器件制作等领域。提高激光直写光刻系统的分辨力和焦深一直以来都是科研人员研究的重点，传统的提高光刻分辨力的方法为缩短曝光波长和提高光刻物镜的数值孔径，但该方法在提高分辨力的同时会使焦深急剧减小。此外，传统激光直写光刻都需要使用位移台移动来实现机械扫描，但机械线位移精度与运动范围的大小有关，位移范围越大，则定位精度越低，且在精密激光直写设备中，要求高速度、高精度定位与联动，然而高速、大范围运动与高精度、高分辨率相互制约。本发明的这种设计，利用径向偏振光经高数值孔径显微物镜的紧聚焦特性可实现长焦深、小焦斑结构，利用振镜、扫描透镜和套筒透镜构成的光学扫描系统，提高了激光直写光刻中扫描的精度和速度。

发明内容

本发明提出了一种可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法，该方法从原理上进行改进，用径向偏振光经高数值孔径显微物镜的紧聚焦特性，可实现长焦深小焦斑的“光针”结构；用光学扫描代替传统的机械扫描，能够提高扫描速度，实现高效率激光直写光刻。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法，在扫描中使用二维振镜系统，激光束入射到振镜系统上，二维振镜系统的X轴振镜和Y轴振镜分别在两个驱动器驱动下产生角度偏转，入射径向偏振光经二维振镜系统后斜入射经由扫描透镜和套筒透镜构成的远心系统，再经纯相位型二元光学元件(DOE)进行位相调制，最后经高数值孔径显微物镜紧聚焦后可在像平面形成长焦深小焦斑的“光针”结构，该“光针”可以在光刻胶平面的一定范围内的任意位置移动，实现光学扫描。

进一步地，通过模拟退火算法可以优化DOE的环带数量和各个环带的半径，使用优化后的DOE可以使“光针”的焦深延长，焦斑压缩。

进一步地，选择数值孔径为0.95的大数值孔径显微物镜。衡量激光直写光刻主要的两个参数为焦深和分辨力，径向偏振光经大数值孔径显微物镜紧聚焦，可以得到“光针”结构，再通过DOE进行位相调制，可以超越衍射极限，使“光针”的焦深进一步延长，焦斑进一步压缩。

进一步地，入射径向偏振光斜入射到DOE，当斜入射的角度在-10°到+10°范围之内时，经仿真发现，光针的焦深、分辨力、均匀性均不受影响，这一特性为光学扫描系统应用于激光直写光刻的一重要前提。

进一步地，在扫描系统中使用二维振镜系统，该振镜系统由光学反射镜、基于振镜的扫描电机和探测器构成，其中光学反射镜安装在旋转轴上，探测器可为控制板提供位置反馈，该振镜系统电机的移动磁体设计选用了一个固定的磁铁和旋转线圈，这样能提供最快的响应时间和最高的系统共振频率，通过使用电机外壳的光学传感系统来编码反射镜的位置。

进一步地，X轴振镜的中心与扫描透镜的物方焦点重合，扫描透镜的像方焦点与套筒透镜的物方焦点重合，套筒透镜的像方焦点与高数值显微物镜的物方焦点重合，孔径光阑和DOE位于高数值孔径显微物镜的物方焦平面上，两者的中心均与高数值显微物镜的物方焦点重合。

进一步地，光针在光刻胶平面上移动的范围取决于振镜偏转的角度和各个透镜的焦距，可得到光针的移动范围与振镜偏转角度之间的关系。

进一步地，所述的扫描透镜由Thorlabs公司出产，当入射光角度相对透镜光轴改变时，扫描透镜也能产生平坦成像面，光斑尺寸失真极小，改变入射角度可使焦斑在整个视场扫描像面。

本发明的原理在于：可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法步骤如下：步骤一：将二维振镜系统的X轴振镜的中心、扫描透镜、套筒透镜、DOE、高数值孔径透镜调节至同轴等高，如图2所示，然后将二维振镜系统的X轴振镜的中心与扫描透镜的物方焦点重合，扫描透镜的像方焦点与套筒透镜的物方焦点重合，套筒透镜的物方焦点与高数值孔径透镜的物方焦点重合，光阑和DOE位于高数值孔径的物方焦点处，搭建好光路后，开始正式光学扫描；步骤二：开始进行扫描，其中振镜的偏转角度范围为-10°到+10°。如图2所示，f₁、f₁'分别代表扫描透镜的物方焦距和像方焦距，f₂、f₂'分别代表套筒透镜的物方焦距和像方焦距，f₃、f₃'分别代表高数值显微物镜的物方焦距和像方焦距，假设各个元器件均位于空气介质中且扫描透镜和套筒透镜的焦距相等，AB代表入射光的主光线，当振镜偏转角度为45°时，光针位于光轴位置；当X轴振镜偏转角度为α(其中40°≤α＜45°)时，入射光斜入射到DOE的角度为θ(其中10°≤θ＜0°)，光针此时位于距光轴-h'处，当振镜的偏转角度从45°递减到α过程中，光针的位置由光轴移动到-h'；步骤三：当X轴振镜的偏转角度为α₁(其中45°＜α₁≤50°)时，入射光斜入射到DOE的角度为θ₁(其中0°＜θ₁≤10°)，光针此时位于距光轴h'处，当振镜的偏转角度从45°递增到α₁时，光针的位置由光轴移动到h'处。通过X轴和Y轴振镜驱动器控制二维振镜系统角度的偏转即可实现光针在整个像平面上的光学扫描；步骤四：径向偏振光依次经二维振镜系统、扫描透镜、套筒透镜后，斜入射经位相调制元件DOE和高数值孔径显微物镜后，可在像平面附近产生长焦深小焦斑的“光针”结构。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明利用DOE对入射径向偏振光进行位相调制可以使光针的焦深更长，焦斑更小。

(2)、本发明中经套筒透镜的光斜入射到DOE，当斜入射的角度在-10°到+10°范围之内时，光针的焦深、分辨力、均匀性不受影响。

(3)、本发明可以使“光针”在一定范围内实现光学扫描，提高了扫描的速度。

(4)、本发明采用二维振镜系统、扫描透镜和套筒透镜来构成光学扫描系统，在光学扫描过程中，避免了位移台由于机械移动产生的误差，提高了扫描精度。

(5)、本发明充分利用二维振镜系统可以使光束在X轴和Y轴发生角度偏转的能力，将扫描的任务都交给二维振镜系统、扫描透镜及套筒透镜组成的扫描系统来做，实现光学的扫描，有效提高了激光直写光刻的工作效率。

附图说明

图1为本发明一种可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法的光路图；

图2为本发明振镜偏转角度与扫描范围之间关系的几何示意图；

图3为本发明模拟仿真得到的光针结构；

图4为本发明DOE正放置时的光程示意图；

图5为本发明DOE倾斜放置时的光程示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的扫描方案，以下结合附图做进一步的详细描述。

本发明一种可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法，具体步骤如下：

步骤一：将二维振镜系统、扫描透镜、套筒透镜、光阑、DOE、高数值孔径显微物镜如图1所示调节至同轴等高；

步骤二：如图2所示，将二维振镜系统的X轴振镜的中心与扫描透镜的物方焦点调节至重合，扫描透镜的像方焦点与套筒透镜的物方焦点重合，套筒透镜的像方焦点与高数值孔径显微物镜的物方焦点重合，此外，令孔径光阑的中心与DOE的中心重合，两者位于高数值孔径显微物镜的物方焦点处。

步骤三：振镜驱动器驱动二维振镜系统使其产生角度偏转，分别记录X轴振镜和Y轴振镜的偏转角度以及对应的光针位置信息，并将数据保存在excel中，方便后续处理。

径向偏振光经DOE和高数值孔径透镜紧聚焦后在焦平面处的轴向光场和径向光场分别为：

其中，T(θ)为DOE的透过率函数。

图2是振镜偏转角度与扫描范围之间关系的几何示意图，当透镜都置于空气中时，由物距和像距之间的关系可知，f₁＝f₁'，f₂＝f₂'，f₃＝f₃'。由图2的几何关系可得：

β＝2α

故移动距离h'为：

由以上推理可知，在X轴振镜偏转α角度时，光针相对于光轴沿纵向移动距离为h'，实现光刻胶平面纵向的扫描，同理，当Y轴振镜有一个角度的偏转时，光针会在垂直于光轴的方向移动，实现光刻胶平面横向的扫描；故由X轴振镜和Y轴振镜组成的二维振镜系统可以实现在光刻胶平面一定范围内任意位置的扫描。

图4是DOE正放置时的光程示意图，图5是DOE倾斜放置时的光程示意图。假设空气的折射率为n₀，DOE的折射率为n，入射光经过套筒透镜后斜入射到DOE的情况相当于入射光正入射时DOE及高数值显微物镜倾斜放置。DOE正放置时光程差为：

ΔL₁＝AB×n-(CD×n₀+DE×n)

ΔL₁＝h₁n-(Δhn₀+h₂n)＝Δh(n-n₀)

位相差为：

DOE倾斜放置时光程差为：

ΔL₂＝(EF×n+FG×n₀)-(AB×n+BC×n+CD×n₀)

小角度偏转情况下，l₁＝l₂，故：

位相差为：

倾斜放置时DOE与正放置时的DOE之间的位相差为：

由以上推理可知，在DOE倾斜放置的情况下，即入射光斜入射情况下，相对于入射光正入射时增加了一个相位

该相位与斜入射角度θ有关，小角度情况下被证明不影响光针的性能，故该光学扫描方法适用于激光直写光刻。

总体上，本发明所述的一种可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法能够提高分辨力的同时延长焦深，用二维振镜系统、扫描透镜和套筒透镜可实现光学扫描，能够有效的提高扫描的速度和光刻的效率，此外，还可以减小传统激光直写光刻位移台扫描系统由于机械之间的相互作用产生的误差，具有较高的精度，可实施性强。本发明未详细阐述的技术和原理属于本发明领域人员所公知的技术。

Claims (8)

1.一种可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法，其特征在于：在扫描中使用二维振镜系统，激光束入射到振镜系统上，二维振镜系统的X轴振镜和Y轴振镜分别在两个驱动器驱动下产生角度偏转，入射径向偏振光经二维振镜系统后斜入射经由扫描透镜和套筒透镜构成的远心系统，再经纯相位型二元光学元件(DOE)进行位相调制，最后经高数值孔径显微物镜紧聚焦后可在像平面形成长焦深小焦斑的“光针”结构，该“光针”可以在光刻胶平面的一定范围内的任意位置移动，实现光学扫描。

2.根据权利要求1所述的可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法，其特征在于：通过模拟退火算法可以优化DOE的环带数量和各个环带的半径，使用优化后的DOE可以使“光针”的焦深延长，焦斑压缩。

3.根据权利要求1所述的可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法，其特征在于：选择数值孔径为0.95的大数值孔径显微物镜，衡量激光直写光刻主要的两个参数为焦深和分辨力，径向偏振光经大数值孔径显微物镜紧聚焦，可以得到“光针”结构，再通过DOE进行位相调制，可以超越衍射极限，使“光针”的焦深进一步延长，焦斑进一步压缩。

4.根据权利要求1所述的可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法，其特征在于：入射径向偏振光斜入射到DOE，当斜入射的角度在-10°到+10°范围之内时，经仿真发现，光针的焦深、分辨力、均匀性均不受影响，这一特性为光学扫描系统应用于激光直写光刻的一重要前提。

5.根据权利要求1所述的可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法，其特征在于：在扫描系统中使用二维振镜系统，该振镜系统由光学反射镜、基于振镜的扫描电机和探测器构成，其中光学反射镜安装在旋转轴上，探测器可为控制板提供位置反馈，该振镜系统电机的移动磁体设计选用了一个固定的磁铁和旋转线圈，这样能提供最快的响应时间和最高的系统共振频率，通过使用电机外壳的光学传感系统来编码反射镜的位置。

6.根据权利要求1所述的可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法，其特征在于：X轴振镜的中心与扫描透镜的物方焦点重合，扫描透镜的像方焦点与套筒透镜的物方焦点重合，套筒透镜的像方焦点与高数值显微物镜的物方焦点重合，孔径光阑和DOE位于高数值孔径显微物镜的物方焦平面上，两者的中心均与高数值显微物镜的物方焦点重合。

7.根据权利要求1所述的可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法，其特征在于：光针在光刻胶平面上移动的范围取决于振镜偏转的角度和各个透镜的焦距，根据几何位置关系可得到光针的移动范围与振镜偏转角度之间的关系。

8.根据权利要求1所述的可实现长焦深小焦斑结构的高效率激光直写光刻方法，其特征在于：所述的扫描透镜由Thorlabs公司出产，当入射光角度相对透镜光轴改变时，扫描透镜也能产生平坦成像面，光斑尺寸失真极小，改变入射角度可使焦斑在整个视场扫描像面。

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