CN112363322A - 一种用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，属于半导体微纳加工领域，由光源模块阵列通过出射光纤输出共轴的抑制光和激发光，最后将出射光纤接口输出的光束阵列导入聚焦系统进行聚焦；每个光源模块包含抑制光激光器和激发光激光器，生成的抑制光和激发光被耦合进入同一出射光纤；该出射光纤只对抑制光波长产生特定的模式，使其聚焦后产生空心光斑，激发光束产生实心光斑，通过空心光斑对实心光斑作用区域的抑制，实现超分辨焦斑。本发明既可以实现超分辨焦斑的快速独立调控，通过出射光纤输出，即不需要额外的调制器件，又可保证两束光的绝对共轴，结构紧凑；可实现快速超衍射极限分辨率的半导体激光直写加工或成像。
Description
技术领域
本发明属于半导体微纳加工领域，特别涉及一种用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置。
背景技术
随着纳米技术和微纳元器件的发展，包括半导体在内的诸多产业对微纳加工技术的要求越来越高。激光直写加工技术是诸多广泛应用的技术之一，是一项绿色的加工制造手段。但是，由于衍射极限的存在，远场光学系统的聚焦光斑无法聚焦为理想点。这导致基于远场光学系统的一系列应用技术的分辨率被限制在了半波长，这其中也包括激光直写系统。
虽然受到衍射极限的限制，但相对于当前广泛应用的其他高分辨率加工技术来说，激光直写技术也具有其独特的优势。例如，直写式刻写技术中，电子束直写和离子束直写加工分辨率通常能达到5纳米以下，但是设备高昂，加工效率低，无法大面积制备，而且依赖于真空环境，目前大多应用在小面积制备和现象级研究。光学曝光技术具有大面积、重复性高的优势，但是难以制备任意的三维结构，且掩膜板制作时间长。而激光直写技术具有无需真空环境和掩膜板的优势，成本较低。为了在这些优势的基础上同时提高激直写加工的分辨率，科学家们利用诸多手段尝试打破衍射极限从而获得更高的分辨率，诸多技术被发明出来，这其中就包括双光子激光直写技术。该技术基于多光子吸收理论，并利用光与物质的非线性效应，极大的提升了激光直写技术的分辨率。经过多年的发展，激光双光子直写加工技术已经成为了一项成熟的加工技术，得到了广泛的应用。不仅如此，双光束激光直写技术的发明将双光子激光直写的分辨率提升至亚百纳米，据文献报道最高特征尺寸达到9nm。
双光束激光直写在双光子激光直写的基础上，引入一束可以聚焦为空心圆环光斑的光束，与直写光束同时作用于材料。该空心圆环光斑被称为暗斑，作用是抑制直写光束焦斑的作用范围，从而提分辨率。因此，空心光斑的质量对于双光束激光直写来说至关重要，是保障加工分辨率和质量的关键因素。而除了分辨率以外，激光直写技术的加工速度也是亟待提高的另一项关键指标，其同样是关系到激光直写技术未来能否实现大规模应用的关键因素。为了提高双光束激光直写的加工速度，将单路加工扩展为多路并行加工是最直接有效的方法，这也就需要并行的抑制光束进行配合，实现大通量的超分辨聚焦光斑。
发明内容
本发明的目的为提供一种用于激光直写的超分辨焦斑生成装置。利用以上装置，可以产生用于激光直写的超分辨暗斑和焦斑阵列。本装置同时也可以应用于受激发射损耗（Stimulation emission depletion，STED）超分辨成像。本装置可以使产生超分辨焦斑的两种光束完美共轴，有效增加系统的紧凑性和稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，包括光源模块阵列、接口阵列器件、第一透镜、第二透镜、小孔阵列、第四透镜和物镜，所述光源模块阵列的出口固定于接口阵列器件上，从接口出射的光束阵列经过第一透镜转化为平行光，之后被第二透镜聚焦至其焦面处，在第二透镜的焦面处放置所述小孔阵列，小孔阵列中小孔的数量与光束数量相同、排布相同，光束经过小孔阵列后再经过场镜进入物镜进行聚焦，最后在物镜的焦面处形成超分辨焦斑阵列。
进一步的，还包括设置在物镜的焦面处设有三维位移台，所述三维位移台用于实现对样品或光刻胶的三维扫描。
进一步的，所述光源模块阵列由多个光源模块组成，每个光源模块通过同一出射光纤输出一束抑制光束和一束激发光束，每个光源模块的出射光纤的出口固定于接口阵列器件上，形成特定的排布。
进一步的，所述特定的排布为矩阵排布。
进一步的，所述接口阵列器件的接口数量与光源模块阵列中光源模块的数量相同。
进一步的，所述光源模块还包括激发光激光器、第一声光调制器、第一反射镜、第一二色镜、抑制光激光器、第二声光调制器、第一耦合透镜，所述激发光激光器发出的激发光经过第一声光调制器，之后被反射镜反射，之后入射到二色镜上；抑制光激光器发出的光束经过第二声光调制器之后入射到二色镜上；二色镜对激发光进行反射、对抑制光透射，进而实现激发光与抑制光的合束；合束后的光束再经过消色差的耦合透镜耦合进入第一出射光纤。其中每一束光中的抑制光聚焦形成空心光斑，激发光形成实心光斑，由于激发光和抑制光出射于同一光纤出口，所以所形成的空心光斑和实心光斑可以完美重合。抑制光斑可以有效抑制实心光斑的作用区域，进而生成超分辨焦斑。
进一步的，所述第一出射光纤使抑制光聚焦后形成空心光斑，而对激发光无影响。
进一步的，所述光源模块为多路输出光源模块，单个光源模块输出2路或2路以上的共轴光束。
进一步的，所述多路输出光源模块包括激发光激光器、第一分束棱镜、第三声光调制器、第二反射镜、第二二色镜、第四声光调制器、第三二色镜、抑制光激光器、第二分束棱镜、第五声光调制器、第六声光调制器、第三反射镜、第二耦合透镜、第三耦合透镜、第二出射光纤和第三出射光纤。所述激发光激光器发出的激发光经过第一分束棱镜分为两束；一束经过第三声光调制后被第二反射镜反射，入射到第二二色镜上；另一束经过第四声光调制器入射到第三二色镜上；所述抑制光激光器发出的抑制光被第二分束棱镜分为两束；一束经过第五声光调制器入射到第二二色镜上，与入射其上的激发光光束合束，并经过第三耦合透镜耦合进入第三出射光纤；另一束光经过第六声光调制器，被第三反射镜反射后，入射到第三二色镜上，并与入射其上的激发光光书合束；再经过第二耦合透镜进入第二出射光纤。
进一步的，所述激发光激光器采用775nm波长，抑制光激光器采用532nm波长。
本发明的有益效果：本发明用于产生高质量、高通量的超分辨焦斑，用以实现半导体超分辨激光直写加工，有效提升半导体加工速度；采用出射光纤的模式对光束进行调制，既可形成聚焦为空心光斑的光束，又可省去多余调制器件，减少系统成本与系统空间；将抑制光束和激发光束耦合进同一光纤，且仅有抑制光束在光纤中产特定的模式进而形成空心光斑光束，可以完全保证抑制光束和激发光束绝对共轴，形成的空心光斑和实心光斑绝对重合；可实现对每一个空心光斑和实心光斑的独立强度调控；本发明还可用于实现并行超分辨成像。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置结构示意图；
图2为本发明提供的一种用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置中单个光源模块示意图；
图3为本发明提供的一种用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置光路结构示意图；
图4为本发明中受衍射极限限制的实心光斑阵列图；
图5为本发明中超分辨焦斑阵列图;
图6为本发明提供的一种用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置中多路输出光源模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和3所示，本发明的用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，包括光源模块阵列9、接口阵列器件10、第一透镜11、第二透镜12、小孔阵列13、第四透镜14、物镜15和三维位移台16。光源模块阵列9的出射光纤8的出口固定于接口阵列器件10上，其中接口阵列器件10的接口数量与光源模块阵列9的出射光纤8的数量相同。从接口出射的光束阵列经过第一透镜11转化为平行光，之后被第二透镜12聚焦至其焦面处，在第二透镜12的焦面处放置小孔阵列13。小孔阵列13中小孔的数量与光束数量相同、排布相同，小孔阵列13对光束进行空间滤波，滤除边缘杂散光。光束经过小孔阵列13后再经过场镜14进入物镜15进行聚焦，最后在物镜15的焦面处形成超分辨焦斑阵列。物镜15的焦面处设有三维位移台16，所述三维位移台16用于实现对样品或光刻胶的三维扫描。
光源模块阵列9由多个光源模块组成，每个光源模块通过同一出射光纤8输出一束抑制光束和一束激发光束，每个光源模块的出射光纤8的出口固定于接口阵列器件10上，形成特定的排布，通常选择矩阵排布，图1中仅以9个光源模块按3×3排布加以说明，实际排布和光源模块数量不限于此。
如图2所示，所述光源模块包括激发光激光器1、第一声光调制器2、第一反射镜3、第一二色镜4、抑制光激光器5、第二声光调制器6、第一耦合透镜7、第一出射光纤8。在此实例中，激发光激光器1采用775nm波长，抑制光激光器5采用532nm波长。激发光激光器1发出的激发光经过第一声光调制器2，之后被第一反射镜3反射，之后入射到第一二色镜4上；抑制光激光器5发出的光束经过第二声光调制器6之后入射到第一二色镜4上；第一二色镜4对激发光进行反射、对抑制光透射，进而实现激发光与抑制光的合束；合束后的光束再经过消色差的耦合透镜7耦合进入第一出射光纤8；第一出射光纤8可以对抑制光产生特殊的模式，使其聚焦后形成空心光斑，而对激发光无影响。
若单个激光器可以提供较高能量，在满足需求的情况下可以对激发光激光器1和抑制光激光器2输出的光束进行分束，使得单个光源模块输出2路或2路以上的共轴光束。如图6所示，以2路输出为例说明，多路输出光源模块包括激发光激光器1、第一分束棱镜17、第三声光调制器18、第二反射镜19、第二二色镜20、第四声光调制器21、第三二色镜22、抑制光激光器5、第二分束棱镜23、第五声光调制器24、第六声光调制器25、第三反射镜26、第二耦合透镜27、第三耦合透镜28、第二出射光纤29和第三出射光纤30。在此实例中，激发光激光器1采用775nm波长，抑制光激光器5采用532nm波长。激发光激光器1发出的激发光经过第一分束棱镜17分为两束；一束经过第三声光调制18后被第二反射镜19反射，入射到第二二色镜20上；另一束经过第四声光调制器21入射到第三二色镜22上；抑制光激光器5发出的抑制光被第二分束棱镜23分为两束；一束经过第五声光调制器24入射到第二二色镜20上，与入射其上的激发光光束合束，并经过第三耦合透镜28耦合进入第三出射光纤30；另一束光经过第六声光调制器25，被第三反射镜26反射后，入射到第三二色镜22上，并与入射其上的激发光光书合束；再经过第二耦合透镜27进入第二出射光纤29。实际中，可采用更多的分束棱镜将光束继续分束，进行实现更多路的输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，包括光源模块阵列（9）、接口阵列器件（10）、第一透镜（11）、第二透镜（12）、小孔阵列（13）、第四透镜（14）和物镜（15），其特征在于：所述光源模块阵列（9）的出口固定于接口阵列器件（10）上，从接口出射的光束阵列经过第一透镜（11）转化为平行光，之后被第二透镜（12）聚焦至其焦面处，在第二透镜（12）的焦面处放置所述小孔阵列（13），小孔阵列（13）中小孔的数量与光束数量相同、排布相同，光束经过小孔阵列（13）后再经过场镜（14）进入物镜（15）进行聚焦，最后在物镜（15）的焦面处形成超分辨焦斑阵列。
2.如权利要求1所述的用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，其特征在于：还包括设置在物镜（15）的焦面处设有三维位移台（16），所述三维位移台（16）用于实现对样品或光刻胶的三维扫描。
3.如权利要求1所述的用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，其特征在于：所述光源模块阵列（9）由多个光源模块组成，每个光源模块通过同一出射光纤（8）输出一束抑制光束和一束激发光束，每个光源模块的出射光纤（8）的出口固定于接口阵列器件（10）上，形成特定的排布。
4.如权利要求3所述的用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，其特征在于：所述特定的排布为矩阵排布。
5.如权利要求3所述的用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，其特征在于：所述接口阵列器件（10）的接口数量与光源模块阵列（9）中光源模块的数量相同。
6.如权利要求3所述的用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，其特征在于：所述光源模块还包括激发光激光器（1）、第一声光调制器（2）、第一反射镜（3）、第一二色镜（4）、抑制光激光器（5）、第二声光调制器（6）、第一耦合透镜（7），所述激发光激光器（1）发出的激发光经过第一声光调制器（2），之后被第一反射镜（3）反射，之后入射到第一二色镜（4）上；抑制光激光器（5）发出的光束经过第二声光调制器（6）之后入射到第一二色镜（4）上；第一二色镜（4）对激发光进行反射、对抑制光透射，进而实现激发光与抑制光的合束；合束后的光束再经过消色差的第一耦合透镜（7）耦合进入第一出射光纤（8）。
7.如权利要求3或6所述的用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，其特征在于：所述出射光纤（8）使抑制光聚焦后形成空心光斑，而对激发光无影响。
8.如权利要求3所述的用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，其特征在于：所述光源模块为多路输出光源模块，单个多路输出光源模块输出2路或2路以上的共轴光束。
9.如权利要求8所述的用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，其特征在于：所述多路输出光源模块包括激发光激光器（1）、第一分束棱镜（17）、第三声光调制器（18）、第二反射镜（19）、第二二色镜（20）、第四声光调制器（21）、第三二色镜（22）、抑制光激光器（5）、第二分束棱镜（23）、第五声光调制器（24）、第六声光调制器（25）、第三反射镜（26）、第二耦合透镜（27）、第三耦合透镜（28）、第二出射光纤（29）和第三出射光纤（30）；所述激发光激光器（1）发出的激发光经过第一分束棱镜（17）分为两束；一束经过第三声光调制（18）后被第二反射镜（19）反射，入射到第二二色镜（20）上；另一束经过第四声光调制器（21）入射到第三二色镜（22）上；所述抑制光激光器（5）发出的抑制光被第二分束棱镜（23）分为两束；一束经过第五声光调制器（24）入射到第二二色镜（20）上，与入射其上的激发光光束合束，并经过第三耦合透镜（28）耦合进入第三出射光纤（30）；另一束光经过第六声光调制器（25），被第三反射镜（26）反射后，入射到第三二色镜（22）上，并与入射其上的激发光光书合束；再经过第二耦合透镜（27）进入第二出射光纤（29）。
10.如权利要求6或9所述的用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置，其特征在于：所述激发光激光器（1）采用775nm波长，抑制光激光器（5）采用532nm波长。
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