CN113093480A - 一种并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜。该物镜由12片正光焦度镜片，8片负光焦度镜片共20片镜片构成，其中5片镜片采用火石玻璃、15片镜片采用冕牌玻璃构，且8片为超低色散镜片。该物镜数值孔径约为1.4、波长522nm‑790nm范围内光的垂轴色差小于5.1nm、物方视场角±4.2°，像方线视场约1mm，可将用于边缘曝光抑制超衍射极限激光直写的两波长激光聚焦在直径1μm以内，且两波长焦点在全视场范围内重合，达到边缘曝光抑制的效果，最终实现特征线宽小于衍射极限的超衍射极限激光直写。利用本发明聚焦得到的激光光斑，可广泛应用于边缘曝光抑制超衍射极限激光直写。

Description

一种并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜

技术领域

本发明属于超衍射极限光学领域，尤其涉及一种用于并行曝光抑制超衍射极限激光直写的物镜。

背景技术

曝光抑制超衍射极限激光直写实现了超衍射极限的直写分辨率，为微纳元件加工提供了新的方法。曝光抑制超衍射极限激光直写技术主要利用材料与光的非线性作用，如受激发射辐射、激光中间态吸收等过程，将光反应限制在光聚焦中心极小的区域，从而实现超高精密的三维加工。该技术需要两波长光束：一波长光束为曝光光，用于引发光反应；另一波长光束为抑制光，用于抑制作用点周围的曝光反应。通过两波长光束对材料的共同作用，将曝光区域限制在远小于波长的区域，实现超衍射极限激光直写。

随着激光直写分辨率的提高，直写速度成为了限制其应用的主要因素之一。并行激光直写技术采用多光束同时对光刻胶进行曝光，从而达到提高直写速度和直写面积的目的。特别的，并行曝光抑制超衍射极限激光直写对物镜提出了更高的要求，需要物镜将多角度入射的光束聚焦在焦平面上，且每束光由两个波长的光组成。在全视场范围内，每束光中两波长光焦点的中心距离不大于20nm，且光线在焦平面上近似垂直入射。

综上，目前尚无并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜。本发明物镜视场大，具有超低色差。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜，包括具有负光焦度的第一镜组和具有正光焦度的第二镜组。所述第一镜组包括第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片和第六镜片。所述第二镜组包括第七镜片、第八镜片、第九镜片、第十镜片、第十一镜片、第十二镜片、第十三镜片、第十四镜片、第十五镜片、第十六镜片、第十七镜片、第十八镜片、第十九镜片和第二十镜片。

其中，第一镜片、第二镜片、第四镜片、第六镜片、第七镜片、第八镜片、第九镜片、第十镜片、第十一镜片、第十二镜片、第十三镜片、第十四镜片、第十五镜片、第十六镜片、第十七镜片均采用冕牌玻璃；第三镜片、第五镜片、第十八镜片、第十九镜片、第二十镜片均采用火石玻璃。

第一镜片、第五镜片、第六镜片、第八镜片、第九镜片、第十一镜片、第十二镜片、第十三镜片、第十四镜片、第十六镜片、第十七镜片、第十九镜片均为正光焦度透镜；第二镜片、第三镜片、第四镜片、第七镜片、第十镜片、第十五镜片、第十八镜片、第二十镜片均为负光焦度透镜。

进一步地，第一镜片、第六镜片、第八镜片、第九镜片、第十一镜、第十二镜片、第十三镜片、第十四镜片、第十七镜片均为双凸结构；第二镜片、第三镜片、第七镜片、第十镜片、第十五镜片均为双凹结构；第四镜片、第五镜片、第十八镜片均为凹凸结构且凸面朝向焦平面；第十六镜片、第十九镜片、第二十镜片均为凹凸结构且凹面朝向焦平面。

进一步地，第十四镜片、第十五镜片、第十六镜片组成消色差三胶合透镜，第十七镜片和第十八镜片组成消色差双胶合透镜。第十四镜片与第十五镜片的阿贝数之差大于40，第十六镜片与第十五镜片的阿贝数之差大于40，第十七镜片和第十八镜片阿贝数之差大于50。

进一步地，第八镜片、第九镜片、第十一镜片、第十二镜片、第十三镜片、第十四镜片、第十六镜片、第十七镜片均采用阿贝数大于90的超低色散材料。

进一步地，物方视场角±4.2°。

进一步地，在全视场范围内，波长522～790nm范围内垂轴色差小于5.1nm，波长532～780nm范围内垂轴色差小于1.2nm，可实现多光束并行曝光抑制超衍射极限激光直写。

进一步地，所述多光束并行曝光抑制超衍射极限激光直写是指物镜将多角度入射的激光聚焦在物镜的焦平面上，且在全视场范围内曝光光和抑制光中心高度重合，从而实现并行超分辨直写。

进一步地，焦距为6.93mm，工作距离为1.473mm，数值孔径为1.4。

进一步地，还包括折射率匹配液，涂敷在第二十镜片表面用于提高物镜分辨率。

本发明的有益效果是：本发明利用12片正光焦度镜片，8片负光焦度镜片实现了大视场、超低色差、高数值孔径物镜，视场内多角度入射的激光通过该物镜后在焦平面上形成多焦点。另外，在全视场范围内，本发明在波长522nm-790nm范围内垂轴色差小于5.1nm，在波长532nm-780nm范围内垂轴色差小于1.2nm，可保证每束光中包曝光光和抑制光的焦点中心偏差极小，从而满足并行曝光抑制超衍射极限激光直写的需求。该发明可以广泛用于超衍射极限显微成像系统和并行激光直写系统。

附图说明

图1是本实施例一种并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜示意图；

图2是光以0°、1°、2°、3°、4°视场角入射物镜时焦点位置示意图；

图3是波长522nm-790nm范围内，视场角与垂轴色差的关系图；

图4是波长532nm和780nm，视场角与垂轴色差的关系图；

图5是同束光中波长532nm和780nm光的焦点光场图；

图6是波长522nm-790nm范围内光程差示意图；

图中，第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4、第五镜片5、第六镜片6、第七镜片7、第八镜片8、第九镜片9、第十镜片10、第十一镜片11、第十二镜片12、第十三镜片13、第十四镜片14、第十五镜片15、第十六镜片16、第十七镜片17、第十八镜片18、第十九镜片19、第二十镜片20、折射率匹配液21。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一种并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜，包括具有负光焦度的第一镜组和具有正光焦度的第二镜组。所述第一镜组由第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4、第五镜片5、第六镜片6构成；所述第二镜组由第七镜片7、第八镜片8、第九镜片9、第十镜片10、第十一镜片11、第十二镜片12、第十三镜片13、第十四镜片14、第十五镜片15、第十六镜片16、第十七镜片17、第十八镜片18、第十九镜片19、第二十镜片20构成。折射率匹配液21涂敷在第二十镜片20右表面用于提高本发明物镜分辨率。

其中，第一镜片1、第二镜片2、第四镜片4、第六镜片6、第七镜片7、第八镜片8、第九镜片9、第十镜片10、第十一镜片11、第十二镜片12、第十三镜片13、第十四镜片14、第十五镜片15、第十六镜片16、第十七镜片17均采用冕牌玻璃；第三镜片3、第五镜片5、第十八镜片18、第十九镜片19、第二十镜片20均采用火石玻璃。

同时，第一镜片1、第五镜片5、第六镜片6、第八镜片8、第九镜片9、第十一镜片11、第十二镜片12、第十三镜片13、第十四镜片14、第十六镜片16、第十七镜片17、第十九镜片19均为正光焦度透镜；第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4、第七镜片7、第十镜片10、第十五镜片15、第十八镜片18、第二十镜片20均为负光焦度透镜。

本发明一种实施例的参数如表1所示，物镜焦距为f＝6.93mm，数值孔径为NA＝1.4，工作距离d0＝1.473mm；第一镜组为负光焦度镜组，光焦度为

第二镜组为正光焦度镜组，光焦度为

具体地，第一镜片1、第六镜片6、第八镜片8、第九镜片9、第十一镜11、第十二镜片12、第十三镜片13、第十四镜片14、第十七镜片17均为双凸结构；第二镜片2、第三镜片3、第七镜片7、第十镜片10、第十五镜片15均为双凹结构；第四镜片4、第五镜片5、第十八镜片18均为凹凸结构且凸面朝向焦平面；第十六镜片16、第十九镜片19、第二十镜片20均为凹凸结构且凹面朝向焦平面。

其中，第十四镜片14、第十五镜片15、第十六镜片16组成消色差三胶合透镜，第十七镜片17和第十八镜片18组成消色差双胶合透镜。第十四镜片14与第十五镜片15的阿贝数之差大于40，第十六镜片16与第十五镜片15的阿贝数之差大于40，第十七镜片17和第十八镜片18阿贝数之差大于50。第八镜片8、第九镜片9、第十一镜片11、第十二镜片12、第十三镜片13、第十四镜片14、第十六镜片16、第十七镜片17均采用阿贝数大于90的超低色散材料。

表1：本实施例并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜参数

如图2所示，当光以0°、1°、2°、3°、4°视场角同时入射本实施例的物镜时，在焦平面上形成位于0μm、125μm、245μm、365μm、485μm的点阵分布。由于物镜结构对称，当光以-1°、-2°、-3°、-4°视场角与上述5束光同时入射物镜时，在焦平面上形成位于-125μm、-245μm、-365μm、-485μm的点阵分布，所以9束视场角依次夹角1°的光束在焦平面上形成依次排列的9个光点。0μm处光点的扫描范围为-62.5～62.5μm，125μm处光点的扫描范围为62.5～185μm，245μm处光点的扫描范围为185～305μm、365μm处光点的扫描范围为305～425μm，485μm处光点的扫描范围为425～502μm，-125μm、-245μm、-365μm、-485μm处光点的扫描范围分别为-62.5～-185μm、-185～-305μm、-305～-425μm、-425～-502μm最终实现9束激光并行直写。

波长为532nm、780nm、522nm、650nm、790nm、542nm的光束，经过本实施例物镜后的视场角与垂轴色差的关系如图3所示，可知，当曝光光和抑制光在波长522nm-790nm范围内时，全视场垂轴色差不大于5.1nm。

一般情况下，曝光光波长为532nm，抑制光波长为780nm，全视场垂轴色差如图4所示，可知波长532nm与780nm的垂轴色差不大于1.2nm。

图5为同一光束中780nm曝光光与532nm抑制光在焦平面上的光场分布，焦点中心高度重合保证了曝光光对抑制光的曝光抑制作用，从而实现超衍射极限激光直写。上述9束激光并行直写时，全视场超低色差保证了每束激光的曝光光和抑制光中心均可高度重合，从而该物镜可实现并形曝光抑制超衍射极限激光直写。

图6是本发明中，波长532nm、650nm、780nm下，边缘视场，既视场角4.2°时光程差示意图。在图中，各波长光程差均不大于0.5λ，说明该物镜具有优良的成像质量。

综上，本发明包括以下特点：

(1)通过20片镜片将物镜光程差控制在0.5λ以内，既物镜的成像性能接近衍射极限；

(2)通过所述消色差三胶合镜组、消色差双胶合镜组和超低色散镜片将波长522～790nm范围内光的垂轴色差限制在5.1nm以内；

(3)所述并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜物方视场角为±4.2°，像方线视场约为1mm，且过大入瞳直径、短焦距、折射率匹配液使数值孔径NA＝1.4。

Claims (9)

1.一种并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜，其特征在于，包括具有负光焦度的第一镜组和具有正光焦度的第二镜组。所述第一镜组包括第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片和第六镜片等。所述第二镜组包括第七镜片、第八镜片、第九镜片、第十镜片、第十一镜片、第十二镜片、第十三镜片、第十四镜片、第十五镜片、第十六镜片、第十七镜片、第十八镜片、第十九镜片和第二十镜片。

其中，第一镜片、第二镜片、第四镜片、第六镜片、第七镜片、第八镜片、第九镜片、第十镜片、第十一镜片、第十二镜片、第十三镜片、第十四镜片、第十五镜片、第十六镜片、第十七镜片均采用冕牌玻璃；第三镜片、第五镜片、第十八镜片、第十九镜片、第二十镜片均采用火石玻璃。

第一镜片、第五镜片、第六镜片、第八镜片、第九镜片、第十一镜片、第十二镜片、第十三镜片、第十四镜片、第十六镜片、第十七镜片、第十九镜片均为正光焦度透镜；第二镜片、第三镜片、第四镜片、第七镜片、第十镜片、第十五镜片、第十八镜片、第二十镜片均为负光焦度透镜。

2.根据权利要求1所述一并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜，其特征在于，第一镜片、第六镜片、第八镜片、第九镜片、第十一镜、第十二镜片、第十三镜片、第十四镜片、第十七镜片均为双凸结构；第二镜片、第三镜片、第七镜片、第十镜片、第十五镜片均为双凹结构；第四镜片、第五镜片、第十八镜片均为凹凸结构且凸面朝向焦平面；第十六镜片、第十九镜片、第二十镜片均为凹凸结构且凹面朝向焦平面。

3.根据权利要求2所述并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜，其特征在于，第十四镜片、第十五镜片、第十六镜片组成消色差三胶合透镜，第十七镜片和第十八镜片组成消色差双胶合透镜。第十四镜片与第十五镜片的阿贝数之差大于40，第十六镜片与第十五镜片的阿贝数之差大于40，第十七镜片和第十八镜片阿贝数之差大于50。

4.根据权利要求3所述并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜，其特征在于，第八镜片、第九镜片、第十一镜片、第十二镜片、第十三镜片、第十四镜片、第十六镜片、第十七镜片均采用阿贝数大于90的超低色散材料。

5.根据权利要求1所述并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜，其特征在于，物方视场角±4.2°。

6.根据权利要求1所述并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜，其特征在于，在全视场范围内，波长522～790nm范围内垂轴色差小于5.1nm，波长532～780nm范围内垂轴色差小于1.2nm，可实现多光束并行曝光抑制超衍射极限激光直写。

7.根据权利要求6所述并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜，其特征在于，所述多光束并行曝光抑制超衍射极限激光直写是指物镜将多角度入射的激光聚焦在物镜的焦平面上，且在全视场范围内曝光光和抑制光中心高度重合，从而实现并行超分辨直写。

8.根据权利要求1所述并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜，其特征在于，焦距为6.93mm，工作距离为1.473mm，数值孔径为1.4。

9.根据权利要求1所述并行曝光抑制超衍射极限激光直写物镜，其特征在于，还包括折射率匹配液，涂敷在第二十镜片表面用于提高物镜分辨率。

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