CN112764320A - 一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统，包括激光器、空间光调制器、位相调制器、透镜组、物镜、衬底、位移台和上位机，其中衬底上表面涂覆设置有光刻胶，衬底放置在位移台上；上位机分别与空间光调制器、位相调制器和位移台连接；上位机中预设有空间振幅分布设计，并根据预设的空间振幅分布设计控制空间光调制器中产生目标多焦点阵列分布光束；上位机中预设有三维空间扫描轨迹，上位机根据其预设的三维空间扫描轨迹控制位移台的移动，使多焦点阵列分布光束对光刻胶进行扫描曝光，得到密集排列的纳米结构。本发明还提出了一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光方法。

Description

一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统及 方法

技术领域

本发明涉及点无掩模直写光刻领域，更具体地，涉及一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统及方法。

背景技术

传统的光刻工艺中需要使用价格昂贵的铬玻璃实体掩膜板，而且在实验研发环境中掩膜板的设计通常需要经常改变。而无掩膜光刻技术，特别是扫描直写光刻，通过以计算机设计电子掩膜板的方法，能够有效克服以上问题。与传统光刻工艺不同，激光直写光刻技术是通过计算机预设计的掩膜图像，结合激光脉冲的开关时间的控制，在光刻胶上直接扫描曝光绘出所要的图案。虽然激光直写光刻技术已日趋成熟，但是因为多采用单点扫描的方式曝光，其加工效率的低下导致了难以进入产业化应用。

近年来国内外研究者利用微透镜阵列[S.Matsuo,Appl.Phys.A,2005,80: 683-685]和衍射分束器[Xian-Zi Dong,Appl.Phys.Lett.,2007,91:124103]将激光分束实现多个微结构同时加工，虽然在效率方面有一定的提高，但无法一次性加工出不同周期的微纳结构，存在灵活性适用性较低的问题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的激光直写光刻技术加工效率低、灵活性低的缺陷，提供一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统，以及一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统，包括激光器、空间光调制器、位相调制器、透镜组、物镜、衬底、位移台和上位机，其中：衬底上表面涂覆设置有光刻胶，衬底放置在位移台上；上位机分别与空间光调制器、位相调制器和位移台连接；上位机中预设有空间振幅分布设计，并根据预设的空间振幅分布设计控制空间光调制器中产生目标多焦点阵列分布光束；上位机中预设有三维空间扫描轨迹，上位机根据其预设的三维空间扫描轨迹控制位移台的移动；

激光器出射的平行激光光束依次经过空间光调制器、位相调制器，其中平行激光光束经过空间光调制器调制得到多焦点阵列分布光束，然后经过位相调制器引入位相差，再通过透镜组和物镜聚焦到衬底上涂覆的光刻胶进行曝光。

本技术方案中，利用空间光调制器中的像素化单元将入射的平行光分束为多焦点阵列分布光束，具有可编程的并排阵列强度分布，其中，空间光调制器中的像素化单元的开关状态由上位机控制；经空间光调制器出射的光束再经过位相调制器的相位调制，生成具有可编程的位相参数的多焦点阵列分布光束，其中，位相调制器中的像素化单元的开关状态由上位机控制，实现位相的施加。经空间光调制器、位相调制器调制后的多焦点阵列分布光束通过透镜组和物镜缩放到衬底上表面涂覆的光刻胶中，同时位移台按照上位机设计的轨迹移动，使多焦点阵列分布光束对光刻胶进行扫描曝光，得到密集排列的纳米结构。

优选地，系统还包括二维振镜组件，二维振镜组件与上位机连接，上位机控制二维振镜组件中反射镜的偏转角度，实现多焦点阵列分布光束在XY空间的扫描。其中，二维振镜组件在上位机控制下精密摆动，结合透镜组和物镜使光束在 XY空间的扫描，配合位移台沿Z轴方向的移动，实现多焦点阵列分布光束在三维空间按照预设的轨迹移动并进行大面积扫描，有效提高扫描速度。

优选地，空间光调制器包括可独立寻址和控制的像素阵列，像素阵列中每个像素用于对透射、反射或衍射的光线产生灰度方向或开关状态的调制；像素阵列大小为m×n，阵列间距为0.5μm-5000μm；空间光调制器对入射的平行光束进行 m×n个像素的振幅编码；

位相调制器包括可独立寻址和控制的像素阵列，像素阵列中每个像素用于对透射、反射或衍射的光线进行相位调制；像素阵列大小为m×n，阵列间距为 0.5μm-5000μm；位相调制器对入射的平行光束进行m×n个像素的位相编码。

优选地，衬底上涂覆的光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶；其中，对于正性光刻胶，光刻胶经过曝光并显影后，清洗强度为1的区域，保留强度为0的区域；对于负性光刻胶，光刻胶经过曝光并显影后，保留强度为1的区域，清洗强度为 0的区域。

优选地，激光器出射的平行激光光束为连续激光或脉冲激光，激光光束的脉冲宽度为纳秒至飞秒激光，激光光束的波长范围为200nm-1100nm。

优选地，多焦点阵列分布光束与光刻胶相互作用机理为非线性多光子吸收，不同于传统光刻的线性吸收效应。

优选地，物镜为高倍率双远心镜头，物镜的缩放比为1/0.1×-1/200×。

本发明还提出了一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光方法，应用于上述任一技术方案提出的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统中，其具体包括以下步骤：

S1：将衬底放置在位移台上，并将光刻胶滴涂于衬底上表面；

S2：激光器出射的平行激光光束输入空间光调制器中，空间光调制器由上位机控制其内部像素化单元的开关状态，得到多焦点阵列分布光束；

S3：多焦点阵列分布光束输入位相调制器中进行相位调制，生成具有可编程的位相参数的多焦点阵列分布光束；其中位相调制器由上位机控制其相位调制参数；

S4：具有可编程的位相参数的多焦点阵列分布光束通过透镜组和物镜的聚焦后入射到衬底上涂覆的光刻胶进行直写光刻，同时位移台在上位机的控制下沿预设的轨迹移动，得到密集排列的纳米结构。

优选地，S3步骤中，位相调制器对多焦点阵列分布光束中相邻焦点的位相调制为位相相差π。

优选地，S4步骤中，还包括以下步骤：

具有可编程的位相参数的多焦点阵列分布光束通过二维振镜组件反射后，通过透镜组和物镜的聚焦后入射到衬底上涂覆的光刻胶进行直写光刻；其中，二维振镜组件由上位机控制其偏转角度，使光束相对于衬底沿水平方向成一定角度θ相对移动，得到密集纳米线阵列；密集纳米线阵列的结构周期d的表达公式如下：

d＝β×n×D×cosθ

其中，β为缩小倍数，n为正整数，D为空间光调制器单个像素单元的尺寸。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过采用空间光调制器和位相调制器对将入射的平行光分束为多焦点阵列分布光束，使其具有可编程的并排阵列强度分布，相比与传统的并行直写光刻技术，实现多焦点阵列的灵活可控性，满足任意结构制备的要求；

采用位相调制器对阵列化光束进行相位调制，使相邻焦点的位相相差π，相邻焦点的光场产生干涉相消，能够有效减小光场分部中暗区光强，并增大亮区光强，以提高成像对比度，进而提高投影光刻分辨率；

采用上位机对位移台和二维振镜组件进行控制，多焦点阵列分布光束在XY 空间以及在Z轴方向上的扫描，实现多焦点阵列分布光束在三维空间按照预设的轨迹移动并进行大面积扫描，有效提高扫描速度。

附图说明

图1为实施例1的密排纳米结构光刻曝光系统的结构示意图。

图2为多焦点阵列分布光束的振幅、位相和强度示意图。

图3为阵列焦点相对于衬底沿水平方向移动示意图。

图4为阵列焦点相对于衬底沿水平方向成角度θ相对移动示意图。

图5为实施例2的密排纳米结构光刻曝光方法的流程图。

图6为实施例3的密排纳米结构光刻曝光系统的结构示意图。

图7为实施例3的阵列焦点的振幅A_m,n和位相P_m,n的阵列分布图。

图8为经位相调制生成的阵列焦点的振幅A_m,n和位相的阵列分布图。

图9为相邻阵列焦点位相调制前后光场强度对比图。

图10为位移台不同扫描方面调节阵列间距的曝光剂量分布图。

图11为实施例4的阵列焦点的振幅A_m,n和位相P_m,n的阵列分布图。

图12为实施例4的相邻线光斑聚焦点位相调制前后光场强度对比图。

图13为实施例4的密排线阵列的曝光剂量分布图。

图14为实施例5的阵列焦点的振幅A_m,n和位相P_m,n的阵列分布图。

图15为实施例5的相邻线光斑聚焦点位相调制前后光场强度对比图。

图16为实施例5的密排线阵列的曝光剂量分布图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提出一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统，如图1所示，为本实施例的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统的结构示意图。

本实施例提出的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统中，包括激光器1、空间光调制器2、位相调制器3、透镜组4、物镜5、衬底6、位移台 7和上位机8，其中，衬底6上表面涂覆设置有光刻胶9，衬底6放置在位移台7 上；上位机8分别与空间光调制器2、位相调制器3和位移台7连接；上位机8 中预设有空间振幅分布设计，并根据预设的空间振幅分布设计控制空间光调制器 2中产生目标多焦点阵列分布光束；上位机8中预设有三维空间扫描轨迹，上位机8根据其预设的三维空间扫描轨迹控制位移台7的移动。

本实施例中，空间光调制器2包括可独立寻址和控制的像素阵列，像素阵列中每个像素用于对透射、反射或衍射的光线产生灰度方向或开关状态的调制，且像素阵列的调制状态由上位机8控制，通过上位机8控制像素化单元的开或关，进而得到设计的多焦点阵列分布光束。本实施例中的像素阵列大小为m×n，阵列间距为0.5μm-5000μm；空间光调制器2对入射的平行光束进行m×n个像素的振幅编码；经空间光调制器2调制后得到的光束具有可编程的并排阵列强度分布。

位相调制器3包括可独立寻址和控制的像素阵列，像素阵列中每个像素用于对透射、反射或衍射的光线进行相位调制；像素阵列大小为m×n，阵列间距为 0.5μm-5000μm；位相调制器3对入射的平行光束进行m×n个像素的位相编码。光束经过位相调制器3的相位调制，生成具有可编程的位相参数的多焦点阵列分布光束。

如图2所示，为本实施例的多焦点阵列分布光束的振幅、位相和强度示意图。其中，由上至下分别表示空间光调制器2编程的空间振幅分布状态、空间光调制器2编程的空间位相分布状态、空间光调制后的微型光束在焦面上的强度分布。

对于传统无掩模多焦点直写光刻技术，其生成的光束阵列间距较远，其阵列间距不小于半个波长尺度，其位相相同时相邻光束光强互不干涉，曝光光刻胶9 后，容易分离相邻纳米线条，如图2(a)所示。当光束阵列间距较近，位相相同时，其光强干涉叠加，曝光光刻胶9之后，无法分离相邻纳米线条，如图2(b) 所示。当采用位相调制器3将相邻光束引入位相差π，通过透镜和物镜5组成的投影系统缩放后，在物镜5焦平面上相邻像光场的振幅干涉相消，其光场强度叠加分布在中心出现暗区，曝光光刻胶9之后，相邻纳米线条是可分离的，如图2 (c)所示。

进一步的，系统还包括二维振镜组件10，二维振镜组件10与上位机8连接，上位机8控制二维振镜组件10中反射镜的偏转角度，实现多焦点阵列分布光束在XY空间的扫描。其中，二维振镜组件10在上位机8控制下精密摆动，结合透镜组4和物镜5使光束在XY空间的扫描，配合位移台7沿Z轴方向的移动，实现多焦点阵列分布光束在三维空间按照预设的轨迹移动并进行大面积扫描，有效提高扫描速度。

此外，二维振镜组件10的偏转实现将多焦点阵列分布光束相对于衬底6及位移台7沿水平方向成角度θ相对移动，且角度θ小于90°设置，进而实现任意周期密集纳米线阵列大面积曝光。如图3、4所示，分别为阵列焦点相对于衬底6沿水平方向移动示意图，以及阵列焦点相对于衬底6沿水平方向成角度θ相对移动示意图。其中，密集纳米线阵列周期d的表达公式如下：

d＝β×n×D×cosθ

其中，β为缩小倍数，n为正整数，D为空间光调制器2单个像素单元的尺寸。

本实施例中，衬底6采用半导体基片，且衬底6上涂覆的光刻胶9采用正性光刻胶9或负性光刻胶9。其中，对于正性光刻胶9，光刻胶9经过曝光并显影后，清洗强度为1的区域，保留强度为0的区域；对于负性光刻胶9，光刻胶9 经过曝光并显影后，保留强度为1的区域，清洗强度为0的区域。

本实施例中，激光器1出射的平行激光光束为连续激光或脉冲激光，激光光束的脉冲宽度为纳秒至飞秒激光，激光光束的波长范围为200nm-1100nm。

本实施例中，物镜5为高倍率双远心镜头，物镜5的缩放比为1/0.1×-1/200×。

在具体实施过程中，利用空间光调制器2中的像素化单元将入射的平行光分束为多焦点阵列分布光束，具有可编程的并排阵列强度分布，其中，空间光调制器2中的像素化单元的开关状态由上位机8控制；经空间光调制器2出射的光束再经过位相调制器3的相位调制，生成具有可编程的位相参数的多焦点阵列分布光束，其中，位相调制器3中的像素化单元的开关状态由上位机8控制，实现位相的施加。激光器1出射的平行激光光束依次经过空间光调制器2、位相调制器 3调制后的多焦点阵列分布光束通过透镜组4和物镜5缩放到衬底6上表面涂覆的光刻胶9中，同时位移台7按照上位机8设计的轨迹移动，使多焦点阵列分布光束对光刻胶9进行扫描曝光，得到密集排列的纳米结构。

光束在空间中的像素点(m,n)上的光场分布为：

其中A_m,n(x-md,y-nd)表示像素点(m,n)上光场的振幅，P_m,n(x-md,y-nd) 表示像素点(m,n)上光场的位相，d表示像素尺寸。

对于入射到空间调制器前的平行光束，每一个像素点的振幅A_m,n和位相P_m,n相同；

对于经空间调制器调制后的平行光束，其每一个像素点的位相P_m,n相同，而振幅A_m,n信息为：

在具体实施过程中，根据设计的阵列焦点图形的需要在特定像素点(m,n)选择case1和case2；

对于经位相调制器3调制后的多焦点阵列分布光束，其每一个像素点的位相 P_m,n信息为：

式中ωt和ωt+π为位相因子，ω表示光波频率，t表示沿传播方向的时间因子，其中根据设计的阵列焦点图形的需要在特定像素点(m,n)选择case1和case2，以确保相邻的光束能够产生位相相差π。

在本实施例中利用空间光调制器2实现多焦点并行加工设计，相比与传统的并行直写光刻技术，实现多焦点阵列的灵活可控性，满足任意结构制备的要求。结合二维振镜组件10和位移台7，配合上位机8的操控，使光束在三维空间按照上位机8设计的轨迹移动，实现大面积曝光，进而提高扫描速度和加工效率。此外，本实施例中对光束进行相位调制，使相邻焦点的位相相差π，此时相邻焦点的光场产生干涉相消，能够有效减小光场分部中暗区光强，并增大亮区光强，以提高成像对比度，进而提高投影光刻分辨率。此外，在采用固定缩放比的物镜 5时，通过减小密集纳米线阵列间距能够有效提高并行直写光刻的分辨率，且间距越小，分辨率越高。进一步的，本实施例与传统的并行直写光刻技术相比，其多焦点阵列分布光束与光刻胶相互作用机理为非线性多光子吸收。

实施例2

本实施例提出一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光方法，应用于实施例1提出的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统中。如图5 所示，为本实施例的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光方法的流程图。

本实施例提出的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光方法中，其具体包括以下步骤：

S1：将衬底6放置在位移台7上，并将光刻胶9滴涂于衬底6上表面；

S2：激光器1出射的平行激光光束输入空间光调制器2中，空间光调制器2 由上位机8控制其内部像素化单元的开关状态，得到多焦点阵列分布光束；

S3：多焦点阵列分布光束输入位相调制器3中进行相位调制，生成具有可编程的位相参数的多焦点阵列分布光束；其中位相调制器3由上位机8控制其相位调制参数，且位相调制器3对多焦点阵列分布光束中相邻焦点的位相调制为位相相差π；

S4：具有可编程的位相参数的多焦点阵列分布光束通过透镜组4和物镜5 的聚焦后入射到衬底6上涂覆的光刻胶9进行直写光刻，同时位移台7在上位机 8的控制下沿预设的轨迹移动，得到密集排列的纳米结构。

进一步的，还包括以下步骤：具有可编程的位相参数的多焦点阵列分布光束通过二维振镜组件10反射后，通过透镜组4和物镜5的聚焦后入射到衬底6上涂覆的光刻胶9进行直写光刻；其中，二维振镜组件10由上位机8控制其偏转角度，使光束相对于衬底6沿水平方向成一定角度θ相对移动，得到密集纳米线阵列；密集纳米线阵列的结构周期d的表达公式如下：

d＝β×n×D×cosθ

其中，β为缩小倍数，n为正整数，D为空间光调制器2单个像素单元的尺寸。

实施例3

本实施例提出一种具体实施方式，采用实施例1提出的一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统。

在本实施例中，激光器1出射的平行激光光束为飞秒近红外光，波长800nm；空间光调制器2采用DMD(Digital Mirror Device，数字微镜阵列器件)，其上有多个反射方向可控的微型反射镜，微型反射镜阵列数量为1024768，每个微型反射镜可通过改变其反射方向以选择是否将光源照射的光束反射至光学投影装置，即进行“开”和“关”的振幅控制，DMD中单个微型反射镜面元的尺寸为 13.68m，可形成宽度d＝13.68m左右的微型光束；位相调制器3采用透射型液晶空间光调制器2，其中像素尺寸大小和数量与空间光调制器2匹配相等。

在本实施例中，采用上位机8控制DMD开启阵列化的微反射镜，以及调节位相调制器3中的像素加载电压，形成图案化的位相可调的光束阵列，即多焦点阵列分布光束。

本实施例中的具体结构连接如图6所示，为本实施例的密排纳米结构曝光系统的结构示意图。本实施例中经空间光调制器2和位相调制器3调制后的多焦点阵列分布光束依次经过反射镜11、透镜12后，再经由上位机8控制的二维振镜组件10的反射后，经透镜组4和物镜5组成的光学投影系统，将多焦点阵列分布光束投射到采用半导体基片的衬底6上涂覆的光刻胶9中，缩放的阵列焦点光场对光刻胶9进行曝光，被光束曝光的区域就成了亮像素，而未被曝光的区域即为暗像素，同时通过对曝光剂量(曝光光强度W×曝光时间T)的控制，然后再根据不同的曝光结构和不同投影系统，曝光形成的光刻胶9纳米线宽度可以从几十nm到几千μm。同时，配合位移台7按照上位机8设计的轨迹移动，使多焦点阵列分布光束对光刻胶9进行扫描曝光，得到密集排列的纳米结构。

其中，反射镜11采用800nm激光全反射的介质镀膜反射镜；物镜5的数值孔径NA为1.45，等效焦距为2mm，透镜的焦距为180mm，由透镜组4和物镜 5组成的光学投影系统的的投影比例为1/90×。

选用该投影比例是为了在保持DMD像素宽度一定的条件下，降低密集线阵列中纳米线的宽度和间距。投影到像面上的单像素强度，单点近似高斯分布，光腰处宽度FW1/e2M＝366nm，根据投影缩放比例，可得两个相邻聚焦点最小的间距为d/90＝13.68μm/90＝152nm，而当两个聚焦点间距小于等于4个像素，互相叠加不可分辨。

采用DMD生成阵列焦点的数量代表相比传统直写光刻提高效率倍数。在本实施例中有5个孤立的亮像素点，间距5个像素，其他全部为暗像素点，由于DMD像素阵列为1024×768，为便于表达，将中间第512列像素定义为列序号i，将中间第384行像素定义为列序号j。因此，在阵列中心区域，第384行、第509 列和515列像素打开，状态“ON”，其他像素全部关闭，状态“OFF”，其DMD 生成的阵列焦点的振幅A_m,n和位相P_m,n的阵列分布图如图7所示。

进一步的，本实施例引入位相调制器3，通过增加位相调制的技术来提高并行直写光刻的分辨率，将DMD生成的阵列焦点的光场进行像素化位相编码，每一个像素化微型平面光源具有可编程的独立位相参数，其振幅A_m,n和位相P_m,n的阵列分布图如图8所示。

如图9所示，为相邻阵列焦点位相调制前后光场强度对比图。在传统并行直写光刻中，当阵列中存在5个孤立的亮像素点，间距5个像素，其他全部为暗像素点，此时的相邻阵列焦点位相调制前后光场强度如图9(a)所示。为了进一步能够增加线密度，需要减小相邻焦点的距离，将间距由5个像素减小了2个像素，此时由于不同微型光束在传播过程中光程相同，第i-1列和第i+1列投影像的光强位相一致，因此相邻像元光场相干叠加，其相邻阵列焦点位相调制前后光场强度如图9(b)所示，曝光图形两个点叠加在一起不可分辨。而通过位相调制技术使相邻像元第i-1列和第i+1列位相差为π，相邻两个区域的光，由原来的相加干涉变为了相消干涉，其相邻阵列焦点位相调制前后光场强度如图9(c) 所示，曝光图形两个点叠加时相消干涉抵消了由于原来因为衍射效应造成的但又是希望避免的光强叠加，从而提高了投影光刻的分辨率，增加了密集线阵列的密度。

此外，通过空间光调制器2可以实现纳米线结构周期的灵活调制，相比微透镜和衍射分光元件，适用性较高。由图9(a)～(c)可知，由DMD生成的5 束微型光束，阵列方向为Y轴方向，经空间光调制器2和位相调制器3的调制后，曝光计量的归一化分布如图9(c)所示。

当阵列光束相对于衬底6位移台7沿X轴方向相对移动时，设定其移动速度为1000μm/s，其曝光剂量(光强度×时间)的归一化分布如图10左侧图示所示，从而实现密集纳米线阵列大面积曝光，纳米线结构周期 d＝β×n×D＝304nm，其中β为缩小倍数1/90，n取值为2，D为空间光调制器 2DMD单个像素的尺寸13.68μm。

进一步的，考虑到纳米线结构周期d的连续可调节，在本实施例中由DMD 生成的5束微型光束，相对于衬底6位移台7沿X轴方向成一定角度θ＝18°相对移动，实现任意周期密集纳米线阵列大面积曝光，纳米线结构周期 d＝β×n×D×cosθ＝298nm，其中β为缩小倍数1/90，n取值为2，D为空间光调制器2DMD单个像素的尺寸13.68μm，θ为位移台7移动方向与X轴的夹角 18°。其曝光剂量(光强度×时间)的归一化分布如图10右侧图示所示

实施例4

在另一具体实施例中，采用实施例1提出的一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统。

本实施例中的空间光调制器2采用DMD(Digital Mirror Device，数字微镜阵列器件)，位相调制器3采用透射型液晶空间光调制器2，其中像素尺寸大小和数量与空间光调制器2匹配相等，可以实现密排纳米结构中纳米线线宽W的灵活调制，比微透镜和衍射分光元件适用性高。

线宽W的大小通过DMD的数量进行调制，由投影光刻的几何光路图可知纳米线的宽度W＝β×n×D＝304nm，其中β为缩小倍数1/90，n为整数且用于调控纳米线的宽度，D为空间光调制器2DMD单个像素的尺寸13.68微米。本实施例中n取值为5，其线阵列焦点的光场可进行像素化位相编码，每一个像素化微型平面光源具有可编程的独立位相参数。如图11所示，为本实施例的阵列焦点的振幅A_m,n和位相P_m,n的阵列分布图。其中，由DMD生成的5列长条形光斑，阵列方向为Y轴方向，第i-2、i-1、i、i+1、i+2五个面元组成一个线光斑聚焦点，第i-8、i-7、i-6、i-5、i-4五个面元组成一个线光斑聚焦点，第i+4、i+5、i+6、i+7、 i+8五个面元组成一个线光斑聚焦点，相邻线光斑聚焦点内像元位相差为π，其他依次类推。

如图12所示，为本实施例的相邻线光斑聚焦点位相调制前后光场强度对比图。在传统并行直写光刻中，不同DMD面元反射的光束在传播过程中光程相同，因此相邻像元光场相干叠加，如图12(a)所示，相邻线光斑聚焦点叠加在一起不可分辨。而通过位相调制技术使相邻线光斑聚焦点的位相差为π，相邻两个区域的光，由原来的相加干涉变为了相消干涉，如图12(b)所示，相邻线光斑聚焦点叠加时相消干涉中间出现暗区可分辨，线光斑阵列方向为Y轴方向，相对于衬底6位移台7沿X轴方向相对移动，移动速度1000μm/s。

其曝光剂量(光强度×时间)的归一化分布如图13所示，有效实现密集纳米线阵列大面积曝光，且当光刻胶9阈值位于曝光剂量一半时，纳米线宽 W＝760nm，此时的纳米线结构周期d＝β×n×D＝912nm，其中β为缩小倍数1/90， n取值为6，D为空间光调制器2DMD单个像素的尺寸13.68μm。该方法一方面调控了纳米线的宽度，另一方面降低了纳米线的间距，增加了密集线阵列的密度。

此外，实施例1中的倾斜角度扫描调控间距技术也适用于本实施例；实施例 1中阵列光斑相对于衬底6的移动扫描技术也适用于本实施例。

实施例5

在另一具体实施例中，采用实施例1提出的一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统。

本实施例中的空间光调制器2采用DMD(Digital Mirror Device，数字微镜阵列器件)，位相调制器3采用透射型液晶空间光调制器2，其中像素尺寸大小和数量与空间光调制器2匹配相等，用于生成线状纳米线阵列光斑，线条状光斑扫描增加单位时间内的曝光量，可减少曝光时间，显著提高光刻过程中曝光效率。线状纳米线阵列光斑的长度大小通过DMD单元的数量进行调制，其中线阵列焦点的光场可进行像素化位相编码，每一个像素化微型平面光源具有可编程的独立位相参数，本实施例的阵列焦点的振幅A_m,n和位相P_m,n的阵列分布图如图14所示。

由图14可知，本实施例由DMD生成的5列长条形光斑，阵列方向为Y轴方向，第i-4、i-2、i、i+2、i+4列上y轴五个面元组成一个线光斑聚焦点，相邻线光斑聚焦点内像元位相差为π，其他依次类推。

如图15所示，为本实施例的相邻线光斑聚焦点位相调制前后光场强度对比图。在传统并行直写光刻中，不同DMD面元反射的光束在传播过程中光程相同，因此相邻像元光场相干叠加，如图15(a)所示，相邻线光斑聚焦点叠加在一起不可分辨。而通过位相调制技术使相邻线光斑聚焦点的位相差为π，相邻两个区域的光，由原来的相加干涉变为了相消干涉，如图15(b)所示，相邻线光斑聚焦点叠加时相消干涉中间出现暗区可分辨。线光斑阵列方向为Y轴方向，相对于衬底6位移台7沿X轴方向相对移动，移动速度5000μm/s，曝光剂量(光强度×时间)的归一化分布如图16所示，当光刻胶9阈值位于曝光剂量一半时，纳米线宽W＝152nm；纳米线结构周期d＝β×n×D＝304nm，其中β为缩小倍数1/90， n取值为2，D为空间光调制器DMD单个像素的尺寸13.68μm。

本实施例中的线条状光斑沿长度方向扫描时，空间扫描点重复叠加曝光，增加了曝光量。由于空间单点光强度不变且重复扫描5次，因此扫描速度提高5倍即可达到相同的曝光剂量。该方法一方面降低了曝光时间，另一方面降低了纳米线的间距，增加了密集线阵列的密度。

此外，实施例1中的倾斜角度扫描调控间距技术也适用于本实施例；实施例 1中阵列光斑相对于衬底6的移动扫描技术也适用于本实施例。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统，其特征在于，包括激光器、空间光调制器、位相调制器、透镜组、物镜、衬底、位移台和上位机，其中：

所述衬底上表面涂覆设置有光刻胶，所述衬底放置在所述位移台上；

所述上位机分别与所述空间光调制器、位相调制器和位移台连接；所述上位机中预设有空间振幅分布设计，并根据预设的空间振幅分布设计控制所述空间光调制器中产生目标多焦点阵列分布光束；所述上位机中预设有三维空间扫描轨迹，所述上位机根据其预设的三维空间扫描轨迹控制所述位移台的移动；

所述激光器出射的平行激光光束依次经过空间光调制器、位相调制器，其中平行激光光束经过所述空间光调制器调制得到多焦点阵列分布光束，然后经过所述位相调制器引入位相差，再通过所述透镜组和物镜聚焦到所述衬底上涂覆的光刻胶进行曝光，得到密集排列的纳米结构。

2.根据权利要求1所述的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统，其特征在于，所述系统还包括二维振镜组件，所述二维振镜组件与所述上位机连接，所述上位机控制所述二维振镜组件中反射镜的偏转角度，实现多焦点阵列分布光束在XY空间的扫描。

3.根据权利要求1所述的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统，其特征在于，所述空间光调制器包括可独立寻址和控制的像素阵列，所述像素阵列中每个像素用于对透射、反射或衍射的光线产生灰度方向或开关状态的调制；所述像素阵列大小为m×n，阵列间距为0.5μm-5000μm；所述空间光调制器对入射的平行光束进行m×n个像素的振幅编码；

所述位相调制器包括可独立寻址和控制的像素阵列，所述像素阵列中每个像素用于对透射、反射或衍射的光线进行相位调制；所述像素阵列大小为m×n，阵列间距为0.5μm-5000μm；所述位相调制器对入射的平行光束进行m×n个像素的位相编码。

4.根据权利要求1所述的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统，其特征在于，所述衬底上涂覆的光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶；其中，对于正性光刻胶，所述光刻胶经过曝光并显影后，清洗强度为1的区域，保留强度为0的区域；对于负性光刻胶，所述光刻胶经过曝光并显影后，保留强度为1的区域，清洗强度为0的区域。

5.根据权利要求1所述的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统，其特征在于，所述激光器出射的平行激光光束为连续激光或脉冲激光，所述激光光束的脉冲宽度为纳秒至飞秒激光，所述激光光束的波长范围为200nm-1100nm。

6.根据权利要求1所述的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统，其特征在于，所述物镜为高倍率双远心镜头，所述物镜的缩放比为1/0.1×-1/200×。

7.根据权利要求1～6任一项所述的密排纳米结构光刻曝光系统，其特征在于，所述多焦点阵列分布光束与所述光刻胶相互作用机理为非线性多光子吸收。

8.一种多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光方法，应用于权利要求1-7任一项所述的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将衬底放置在位移台上，并将光刻胶滴涂于衬底上表面；

S2：激光器出射的平行激光光束输入空间光调制器中，所述空间光调制器由上位机控制其内部像素化单元的开关状态，得到多焦点阵列分布光束；

S3：多焦点阵列分布光束输入位相调制器中进行相位调制，生成具有可编程的位相参数的多焦点阵列分布光束；其中所述位相调制器由上位机控制其相位调制参数；

S4：具有可编程的位相参数的多焦点阵列分布光束通过透镜组和物镜的聚焦后入射到衬底上涂覆的光刻胶进行直写光刻，同时所述位移台在上位机的控制下沿预设的轨迹移动，得到密集排列的纳米结构。

9.根据权利要求8所述的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光方法，其特征在于，所述S3步骤中，所述位相调制器对多焦点阵列分布光束中相邻焦点的位相调制为位相相差π。

10.根据权利要求8所述的多焦点激光并行直写密排纳米结构的光刻曝光方法，其特征在于，所述S4步骤中，还包括以下步骤：

具有可编程的位相参数的多焦点阵列分布光束通过二维振镜组件反射后，通过透镜组和物镜的聚焦后入射到衬底上涂覆的光刻胶进行直写光刻；其中，所述二维振镜组件由上位机控制其偏转角度，使光束相对于衬底沿水平方向成一定角度θ相对移动，得到密集纳米线阵列；所述密集纳米线阵列的结构周期d的表达公式如下：

d＝β×n×D×cosθ

其中，β为缩小倍数，n为正整数，D为空间光调制器单个像素单元的尺寸。

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