CN112731776A - 一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法和装置，包括偏振控制模块、准直扩束系统、激发光束阵列掩膜、偏振分光镜、四光束干涉形成的抑制光虚拟掩膜、聚焦高数值孔径物镜以及三维可控精密位移台等主要装置，所述的空间光调制器实时连续加载不同的计算全息图实现激发光束阵列子光束的开光，从而实现不同图案的直写。四光束两两呈一定角度干涉形成光学掩膜作为抑制光阵列，从而提高直写分辨率。这使得该系统的直写效果更加丰富，直写效率与分辨率进一步提高，有效解决了现有激光直写系统直写速度慢分辨率低等问题。

Description

一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法和装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法和装置。

背景技术

激光直写技术在半导体制造中日趋重要，同时在光学衍射元件、三维功能型传感器、生物医学光子学等领域发挥关键的作用。激光直写技术的发展直接影响高端芯片、传感器等制造。目前激光直写技术主要包括有掩膜和无掩膜技术两种。无掩模技术中主要包括电子束直写光刻、激光直写光刻等。激光直写光刻技术拥有低成本、使用环境友好等优势被人们广泛研究。然而，在高精度、大面积光刻的发展趋势下，直写速度的提升，是超分辨激光直写技术走向产业应用的必要要求，刻写效率是非常重要的因素。现有的激光直写技术，通常利用单一光源，利用逐点直写这种串行加工方式进行加工，存在刻写速度慢，效率低等问题。约束激光直写技术发展的另一个问题就是直写的分辨率。如何提高刻写分辨率一直是光刻研究领域的重要方向。然而，传统的单光束并行激光直写系统受到衍射极限的限制。在光学成像领域，受激辐射损耗(STED)技术在显微成像领域打破衍射限制实现了更高的分辨率，响应了材料学、生物医学对微纳尺度观测的需求，同时也为激光直写技术领域提供了新的超分辨率方法。典型的双光束STED纳米激光直写系统中一束为写入光，另一束为控制写入光的涡旋光，涡旋光能够用于STED激光直写系统的原因在于其聚焦光场存在尺度超越衍射极限的暗场分布，因而间接利用该暗场将涡旋光作为损耗光或限制光。然而，这样超分辨率的单一光源直写加工方法都具有局限性，因此需要一种高速高通量的激光直写加工方法以适应高分辨、大尺度加工的发展要求。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中刻写速度慢、刻写分辨率低的缺点，本发明提出一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法，该方法利用激发光束阵列掩膜和抑制光虚拟掩膜生成的高通量激光聚焦入射到样品上进行超分辨激光直写；其中，所述激发光束阵列掩膜是由空间光调制器加载计算全息图生成在空间按设计需要排列的激发光束阵列；所述抑制光虚拟掩膜是由四光束交叉干涉形成的抑制光阵列；所述四光束中，两束为垂直偏振光束，两束为水平偏振光束，每束光束光强相同，光束半径大于10mm；同时，每束光束与法线的夹角相同且均小于90°。

进一步地，所述抑制光阵列产生方法为：将一水平偏振方向的激光入射至准直扩束系统，将激光的光斑直径扩大后经半波片和偏振分光镜分成第一透过光束和第一反射光束，其中第一透过光束再经过半波片和偏振分光镜分为第二透过光束和第二反射光束，第二反射光束经四分之一玻片改变为水平偏振方向后与第二透过光束形成两束水平偏振光束；第一反射光束经半波片和偏振分光镜分成第三透过光束和第三反射光束，第三反射光束经四分之一玻片改变为水平偏振方向后经半波片和偏振分光镜产生垂直偏振方向的第四反射光束，和第三透过光束经偏振分光镜产生垂直偏振方向的第五反射光束作为两束垂直偏振光束，四束光束合束两两成一定角度交叉干涉形成抑制光阵列。

进一步地，所述激发光束阵列产生方法为：

将一水平偏振方向的激光入射至准直扩束系统，将激光的光斑直径扩大后入射至空间光调制器，由空间光调制器加载计算全息图生成在空间按设计需要排列的激发光束阵列。

优选地，所述的空间光调制器的波长为相位型空间光调制器，可以提高入射光的调制效率。

其中，激光偏振方向通过偏振控制模块控制，所述偏振控制模块包括半波片和偏振片。

所述半波片固定在可旋转的光学镜架上，通过半波片的绕光轴旋转改变入射激光的偏振方向；

所述偏振片固定在可旋转的光学镜架上，通过偏振片的绕光轴旋转固定入射激光的偏振方向；

所述准直扩束系统按照光路的设置依次包括共焦透镜组、针孔滤波器；针孔滤波器位于透镜的后焦点处。准直扩束系统将光束光斑半径的扩大并实现光束的准直，有利于将光斑覆盖空间光调制器的液晶面板，充分利用空间光调制器的调制性能。

所述偏振分光镜通过介质分束膜来反射s光透过p光，分离s偏振光和p偏振光。

所述全反镜用于改变光路；

所述空间光调制器与计算机连接，通过计算机的控制程序，为空间光调制器加载不同的计算全息图，并通过实时切换全息图实现对激发光束阵列掩膜的子光束的开光控制。

优选地，所述的空间光调制器的调制光波段为450～1064nm，空间光调制器最大的刷新频率为1kHz，进一步提高激光直写的速度。

本发明还提供了一种基于上述双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法的激光直写装置，包括：第一激光器、第一偏振控制模块、第一准直扩束系统、空间光调制器、第二激光器、第二偏振控制模块、第二准直扩束系统、第三半波片、第一偏振分光镜、第四半波片、第二偏振分光镜、第一四分之一玻片、第一分光镜、第三偏振分光镜、第五半波片、第四偏振分光镜、第二四分之一玻片、第六半波片、第二分光镜、第五透镜、第六透镜、物镜、三维位移台和控制系统。

第一激光器输出的激光经过第一偏振控制模块将偏振方向变为水平方向后经第一准直扩束系统将激光的光斑直径扩大，并入射至空间光调制器，控制系统控制空间光调制器实时加载设计好的相位全息图，从而生成激发光束阵列；

第二激光器输出的激光经过第二偏振控制模块将偏振方向变为水平方向后经第二准直扩束系统将激光的光斑直径扩大，扩大后的激光经第三半波片、第一偏振分光镜分束成第一透过光束和第一反射光束，第一透过光束经过第四半波片和第二偏振分光镜分束生成第二透过光束和第二反射光束；第二反射光束经第一四分之一玻片改变偏振方向为水平偏振方向后与第二透过光束作为两束水平偏振光束；第一反射光束经第六半波片、第四偏振分光镜分束成第三透过光束和第三反射光束，第三反射光束经四分之一玻片改变为水平偏振方向后经半波片和经第三偏振分光镜产生垂直偏振方向的第四反射光束，和第三透过光束经第三偏振分光镜产生垂直偏振方向的第五反射光束作为两束垂直偏振光束，四束光束两两成一定角度交叉干涉形成抑制光阵列。

空间光调制器的出射光经第五透镜后与四束光束在第二分光镜上合束，合束的光束经第六透镜入射至物镜聚焦，在物镜的前焦面形成直写光源。

其中，空间光调制器放置在第五透镜的前焦面上，第六透镜放置在物镜的前焦面上。三维位移台位于物镜前方，用于放置样品，控制系统控制三维位移台移动。

进一步地，还包括第三全反镜、第四全反镜、第五全反镜和第一分光镜，第三全反镜位于第一四分之一玻片后方，用于将穿过第一四分之一玻片的第二反射光束反射再次穿过第一四分之一玻片改变偏振方向为水平后再次经过第二偏振反光镜透射至第一分光镜。第四全反镜、第五全反镜用于改变第二透过光束的光路方向，将第二透过光束入射至第一分光镜与经过第三偏振反光镜透射的光束呈一定角度合束。

进一步地，还包括第六全反镜、第七全反镜、第八全反镜、第九全反镜。第八全反镜、第九全反镜用于改变第三透过光束的光路方向将其入射至第三偏振分光镜。第七全反镜位于第二四分之一玻片后方，用于将穿过第二四分之一玻片的第三反射光束反射再次穿过第二四分之一玻片改变偏振方向为水平后再次经过第四偏振反光镜透射至第五半波片，经第六全反镜反射入射至第三偏振分光镜。通过第六全反镜、第九全反镜可以调整四光束中垂直偏振的两光束角度。

所述样品台为三维电控位移台，可精确实现样品位置控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过加载不同的计算全息图实现对于光束阵列的子光束的控制，操控简单灵活，稳定性高，提高了刻写效率。

(2)本发明所用由四光束干涉形成的虚拟掩膜，通道数量可拓展至上万通道，进一步提高了直写的速度。

(3)本发明的直写系统设计简单，控制精度高，操作简便灵活，直写效果可控性强，样品平移运动机构带动样品进行大范围三维移动，实现了大尺度三维直写加工。

附图说明

图1为本发明激光直写系统的光路图。

其中：1、第一激光器；2、第一半波片；3、第一偏振片；4、第一透镜；5、第一针孔滤波器；6、第二透镜；7、空间光调制器；8、第二激光器；9、第二半波片；10、第二偏振片；11、第三透镜；12、第二针孔滤波器；13、第四透镜；14、第一全反镜；15、第二全反镜；16、第三半波片；17、第一偏振分光镜；18、第四半波片；19、第二偏振分光镜；20、第一四分之一玻片；21第三全反镜；22、第四全反镜；23、第五全反镜；24、第一分光镜；25、第三偏振分光镜；26、第六全反镜；27、第五半波片；28、第四偏振分光镜；29、第二四分之一玻片；30、第七全反镜；31、第六半波片；32、第八全反镜；33、第九全反镜；34、第二分光镜；35、第五透镜；36、第六透镜；37、物镜；38、三维可调精密位移台；39、控制计算机。

图2为激发光束阵列光强分布图。

图3为经由四光束干涉的抑制光光强分布图。

图4为激发光束阵列部分子光束关闭的光强分布图。

图5为四光束干涉原理图，其中θ＝α。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。

如图1所示为本发明实施例的光路图。按照光路设置依次包括1、第一激光器；2、第一半波片；3、第一偏振片；4、第一透镜；5、第一针孔滤波器；6、第二透镜；7、空间光调制器；8、第二激光器；9、第二半波片；10、第二偏振片；11、第三透镜；12、第二针孔滤波器；13、第四透镜；14、第一全反镜；15、第二全反镜；16、第三半波片；17、第一偏振分光镜；18、第四半波片；19、第二偏振分光镜；20、第一四分之一玻片；21第三全反镜、；22、第四全反镜；23、第五全反镜；24、第一分光镜；25、第三偏振分光镜；26、第六全反镜；27、第五半波片；28、第四偏振分光镜；29、第二四分之一玻片；30、第七全反镜；31、第六半波片；32、第八全反镜；33、第九全反镜；34、第二分光镜；35、第五透镜；36、第六透镜；37、物镜；38、三维可调精密位移台；39、控制计算机。

第一激光器1输出激光通过对应的533nm波长的第一半波片2，第一半波片2固定在可旋转光学镜架上，通过半波片2绕光轴旋转，改变出射光的偏振方向。

经过第一半波片2出射的激光通过第一偏振片3，使得透射光为水平偏振，满足空间光调制器7对入射光偏振方向的要求。

从第一偏振片3出射的激光经过由第一透镜4，第一针孔滤波器5，第二透镜6组成的扩束系统；扩束系统将激光的光斑直径扩大至其尽可能全部覆盖空间调制器7的液晶面元，从而充分利用空间光调制器7。

经扩束后的激光入射至空间光调制器7中，通过计算机39控制空间光调制器7实时加载设计好的相位全息图。

空间光调制器7出射的激发光，经由第五透镜35和第六透镜36组成的4f系统，成像到物镜37的入瞳处，并被物镜聚焦形成如图2所示的激光点阵。

第二激光器8输出激光波长为780nm，通过对应波长的第二半波片9，第二半波片9固定在可旋转光学镜架上，通过第二半波片9绕光轴旋转，改变出射光的偏振方向。

经过第二半波片9出射的激光通过第二偏振片10，使得透射光为水平偏振，再经过由第三透镜11，第二针孔滤波器12，第四透镜13组成的扩束系统将激光的光斑直径扩大后，光束经过第一全反镜14和第二全反镜15反射后，经过第三半波片16改变其偏振方向，再经过第一偏振分光镜17分束。透射光为水平偏振，经过第四半波片18和第二偏振分光镜19分光，透射光经第四全反镜22和第五全反镜23反射至第一分光镜24。另外，经由第二偏振分光镜19反射的光经过第一四分之一玻片20后，由第三全反镜21反射再次穿过第一四分之一玻片20，其偏振方向变为水平偏振。而后再次经过第二偏振分光镜19透射至第一分光镜24与经由第五全反镜23反射的光呈一定角度后合束，再经过第三偏振分光镜25出射。

经由第一偏振分光镜17反射的光束，其偏振方向为垂直偏振，经过第六半波片31改变其偏振方向后，再经过第四偏振分光镜28透射，偏振状态为水平偏振。透射的光经过第八全反镜32和第九全反镜33反射后进入第三偏振分光镜25后反射，其偏振状态为垂直偏振。经由第四偏振分光镜28反射的光经过第二四分之一玻片29后，由第七全反镜30反射再次穿过第二四分之一玻片29，其偏振方向变为水平偏振，再经过第五半波片27，改变其偏振状态为垂直偏振后，经过第六全反镜26反射后，再经过第三偏振分光镜25反射，与经过第九全反镜33反射的光呈一定角度合束。经过第三偏振分光镜25合束的四束光束，两两成一定角度交叉，如图5所示，偏振方向相同的光束位于同一平面内，θ＝α，且θ、α均小于90°。而后经过第二分光镜34、第六透镜36和物镜37后，在物镜37的后焦面形成如图3所示的光强分布图。其中，第六透镜36放置在物镜37的前焦面上。

经由空间光调制器7出射的调制光束，经过由第五透镜35和第六透镜36组成的4f系统成像到物镜37的入瞳处，并经过物镜37聚焦，在物镜37的后焦面形成图2所示的并行直写的激发光束阵列。其中，空间光调制器7放置在第五透镜35的前焦面上。

最后，经过激发光与抑制光阵列的中空暗斑的位置形成直写光源，样品放置在三维可调精密位移台38，位移台有控制计算机39控制其带动样品在三维进行移动，定位到样品任意区域实施直写光刻，通过改变加载不同的全息图可以调整不同激发光束阵列，从而实现不同图案的直写。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法，其特征在于，利用激发光束阵列掩膜和抑制光虚拟掩膜生成的高通量激光聚焦入射到样品上进行超分辨激光直写；其中，所述激发光束阵列掩膜是由激发光束照射空间光调制器，空间光调制器加载计算全息图生成在空间按设计需要排列的激发光束阵列；所述抑制光虚拟掩膜是由四光束交叉干涉形成的抑制光阵列；所述四光束中，两束为垂直偏振光束，两束为水平偏振光束，每束光束的光强相同，光束半径大于10mm；同时，每束光束与法线的夹角相同且均小于90°。

2.根据权利要求1所述的一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法，其特征在于，所述抑制光阵列产生方法为：将一水平偏振方向的激光入射至准直扩束系统，将激光的光斑直径扩大后经半波片和偏振分光镜分成第一透过光束和第一反射光束，其中第一透过光束再经过半波片和偏振分光镜分为第二透过光束和第二反射光束，第二反射光束经四分之一玻片改变为水平偏振方向后与第二透过光束形成两束水平偏振光束；第一反射光束经半波片和偏振分光镜分成第三透过光束和第三反射光束，第三反射光束经四分之一玻片改变为水平偏振方向后经半波片和偏振分光镜产生垂直偏振方向的第四反射光束，和第三透过光束经偏振分光镜产生垂直偏振方向的第五反射光束作为两束垂直偏振光束，四束光束合束两两成一定角度交叉干涉形成抑制光阵列。

3.根据权利要求1所述的一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法，其特征在于，所述激发光束阵列产生方法为：

将一水平偏振方向的激光入射至准直扩束系统，将激光的光斑直径扩大后入射至空间光调制器，由空间光调制器加载计算全息图生成在空间按设计需要排列的激发光束阵列。

4.一种基于权利要求1所述双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法的激光直写装置，其特征在于，包括：第一激光器、第一偏振控制模块、第一准直扩束系统、空间光调制器、第二激光器、第二偏振控制模块、第二准直扩束系统、第三半波片、第一偏振分光镜、第四半波片、第二偏振分光镜、第一四分之一玻片、第一分光镜、第三偏振分光镜、第五半波片、第四偏振分光镜、第二四分之一玻片、第六半波片、第二分光镜、第五透镜、第六透镜、物镜、三维位移台和控制系统。

第一激光器输出的激光经过第一偏振控制模块将偏振方向变为水平方向后经第一准直扩束系统将激光的光斑直径扩大，并入射至空间光调制器，控制系统控制空间光调制器实时加载设计好的相位全息图，从而生成激发光束阵列；

第二激光器输出的激光经过第二偏振控制模块将偏振方向变为水平方向后经第二准直扩束系统将激光的光斑直径扩大，扩大后的激光经第三半波片、第一偏振分光镜分束成第一透过光束和第一反射光束，第一透过光束经过第四半波片和第二偏振分光镜分束生成第二透过光束和第二反射光束；第二反射光束经第一四分之一玻片改变偏振方向为水平偏振方向后与第二透过光束作为两束水平偏振光束；第一反射光束经第六半波片、第四偏振分光镜分束成第三透过光束和第三反射光束，第三反射光束经第二四分之一玻片改变为水平偏振方向后经半波片和经第三偏振分光镜产生垂直偏振方向的第四反射光束，和第三透过光束经第三偏振分光镜产生垂直偏振方向的第五反射光束作为两束垂直偏振光束，四束光束两两成一定角度交叉干涉形成抑制光阵列。

空间光调制器的出射光经第五透镜后与四束光束在第二分光镜上合束，合束的光束经第六透镜入射至物镜聚焦，在物镜的前焦面形成直写光源。

其中，空间光调制器放置在第五透镜的前焦面上，第六透镜放置在物镜的前焦面上。三维位移台位于物镜前方，用于放置样品，控制系统控制三维位移台移动。

5.根据权利要求4所述的激光直写装置，其特征在于，还包括第三全反镜、第四全反镜、第五全反镜和第一分光镜，第三全反镜位于第一四分之一玻片后方，用于将穿过第一四分之一玻片的第二反射光束反射再次穿过第一四分之一玻片改变偏振方向为水平后再次经过第二偏振反光镜透射至第一分光镜。第四全反镜、第五全反镜用于改变第二透过光束的光路方向，将第二透过光束入射至第一分光镜与经过第三偏振反光镜透射的光束呈一定角度合束。

6.根据权利要求4所述的激光直写装置，其特征在于，还包括第六全反镜、第七全反镜、第八全反镜、第九全反镜。第八全反镜、第九全反镜用于改变第三透过光束的光路方向将其入射至第三偏振分光镜。第七全反镜位于第二四分之一玻片后方，用于将穿过第二四分之一玻片的第三反射光束反射再次穿过第二四分之一玻片改变偏振方向为水平后再次经过第四偏振反光镜透射至第五半波片，经第六全反镜反射入射至第三偏振分光镜。

7.根据权利要求4所述的激光直写装置，其特征在于，所述空间光调制器的调制光波段为450～1064nm，空间光调制器最大的刷新频率为1kHz。

8.根据权利要求4所述的激光直写装置，其特征在于，所述准直扩束系统按照光路的设置依次包括共焦透镜组、针孔滤波器，针孔滤波器位于透镜的后焦点处。

9.根据权利要求4所述的激光直写装置，其特征在于，第一激光器输出的激光波长为533nm，第二激光器输出的激光波长为780nm。

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