CN113568279B - 基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，采用两个空间光调制器分别对两束不同波长的入射光进行预调制，使两束光通过同一根多模光纤出射后，在距离光纤出射端面一定远处的平面上聚焦。从多模光纤出射的圆形激发光斑和环形抑制光斑同心且环形光斑覆盖住圆形光斑的大部分外围区域。本发明配合特制的负性光刻胶使用，通过激发光和抑制光同时作用于光刻胶，即可使实际被固化的光刻胶体素尺寸小于衍射极限的限制。通过改变空间光调制器所加载的相位图，无需机械位移装置即实现在某一平面小区域内的逐点扫描式光刻。通过多路复用上述结构，实现平面大区域的逐点扫描；再结合z方向位移台，实现三维立体结构的光刻。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统。
背景技术
目前直写式光刻技术在诸多前沿科学领域和制造领域中发挥着举足轻重的作用，如在光学领域中制造高精密光学透镜、超透镜、光子带隙器件；在生物学和医学中制造可植入生物体内的微型支架、纳米机器人；在大规模集成电路的制造过程中制备高精密的光学掩膜版等。
采用逐点扫描式的方法构建所需的样品结构，直写式光刻的优势在于可实现复杂三维结构的加工。但是在单个平面内的加工过程中，目前直写式光刻技术相较于应用掩膜版的投影式光刻来说，在最小加工精度和加工速度上有着明显的劣势。制约直写式光刻中最小加工精度的主要是光学系统的衍射极限，由于光的衍射，引发光刻胶固化的激发光光斑尺寸最小只能聚焦到该光束波长量级，导致通过直写式光刻制备样品的最小体素尺寸也在这个量级。
制约直写式光刻加工速度的主要原因是其逐点扫描式的加工方式，目前直写式光刻系统中主要通过扫描振镜和位移台等机械结构使激发光光斑在光刻胶样品池中进行逐点扫描，为了保证被激发光光斑扫过的光刻胶区域能够进行充分的光化学反应而使光刻胶固化，逐点扫描的速度不能超过某上限；另一方面，通过机械结构进行扫描，也会带来系统的不稳定性，系统工作过程中的温度、湿度变化以及外界噪声等干扰可能导致机械运行的抖动从而使制备出的样品质量变差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术解决目前直写式光刻系统加工速度慢、加工精度受光学衍射极限限制问题的不足，提供一种基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统。本发明无需掩膜版、无需聚焦透镜，且在单一平面内加工时无需机械位移装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，包括光斑生成模块、多模光纤、光纤夹具、光刻胶样品池。每个光斑生成模块对应一根多模光纤。
光斑生成模块采用空间光调制器分别对激发光和抑制光进行调制，再进行合束后入射到对应的多模光纤，在焦平面上生成激发光和抑制光的组合光斑阵列。每个组合光斑为相同中心的圆形的激发光光斑和环形的抑制光光斑的叠加，且抑制光光斑覆盖激发光光斑的部分外围区域。
每个空间光调制器加载有相位图。不同的相位图用于控制每个多模光纤输出的组合光斑阵列中各光斑出现的位置，使得无需机械位移装置即可实现在某一平面区域内的逐点扫描式光刻。
多模光纤的出射端通过光纤夹具固定并排列成一排或一个阵列，并浸没于光刻胶样品池中；多模光纤的出射端面位于同一平面。
进一步地，同一光斑生成模块中的空间光调制器中加载相同的相位图。
进一步地，每个多模光纤的逐点扫描范围为无畸变光斑区域。
进一步地，还包括位移台，光刻胶样品池搭载在位移台上。
进一步地，各光斑生成模块中输入的激发光和抑制光由独立的激光器实现，或由两台激光器经空间分束实现。
各光斑生成模块中输入的激发光和抑制光由独立的激光器实现时，光斑生成模块包括激发光光源、抑制光光源、半波片、透镜组、二向色镜、显微物镜，以及对应激发光和抑制光两种不同波长的空间光调制器。激发光光源和抑制光光源发出的激光均为线偏振光。激发光或抑制光经过半波片，调制线偏振方向为空间光调制器工作所需的偏振方向后，由透镜组进行扩束和准直，再射向空间光调制器，然后在二向色镜上合束。
各光斑生成模块中输入的激发光和抑制光由两台激光器经空间分束实现时，光斑生成模块还包括空间光分光单元。空间光分光单元由半波片和偏振分束器实现。通过调节半波片的旋转角度，使通过偏振分束器分配至每个多模光纤输入光场预调制单元的光功率相等。
进一步地，空间光调制器的出射光在进入二向色镜前，通过反射镜调整光路。
进一步地，采用负性光刻胶，仅被激发光光斑照射到的区域会发生光化学反应而固化，而被抑制光光斑照射到的区域不会固化，通过激发光和抑制光同时作用于光刻胶，使实际被固化的光刻胶体素尺寸小于衍射极限。
进一步地，采用反射式空间光调制器，反射面法线与入射光束轴线间的夹角小于8°。
进一步地，相位图采用深度学习算法经过多次反复迭代优化参数来获得。
本发明的有益效果是：本发明基于空间光调制器(SLM)对多模光纤阵列的输入光场进行调制，来实现无掩膜、无透镜、平面内光刻过程无机械位移装置的大规模高效超分辨直写式光刻系统。本发明通过抑制光的引入，大大缩减激发光实际能引起光刻胶固化的有效范围，使光刻精度可以突破衍射极限的限制。本发明通过计算机控制单元全局控制并行式直写光刻过程，通过实时刷新系统中每个空间光调制器所加载的相位图，使多模光纤阵列输出的组合光斑阵列在单一平面内扫描以构建所需二维结构，并通过控制搭载光刻胶样品池的高精度z方向位移台的移动，使逐层构建的二维结构结合成为所需的三维结构。通过这种多通道并行式直写的方法，可以极大地提升直写式光刻的加工精度和加工效率，并可避免多种外界因素的干扰，提升系统工作的稳定性。
附图说明
图1为本发明中光斑生成模块示意图；
图2为本发明中经由空间光调制后多模光纤出射的光斑示意图；其中，左图为激发光光斑示意图；中图为抑制光环形光斑示意图；右图为激发光与抑制光同时作用于负性光刻胶时，实际能引发光刻胶固化的有效光斑示意图；
图3为本发明中经由空间光调制器调制后多模光纤出射光焦平面上的光斑情况示意图；其中，上图为多模光纤和其输出光场的锥形区域的侧视示意图，虚线范围内为经空间光调制器调制后能够生成高质量聚焦光斑的区域；下图为在焦平面不同位置处能调制出的最佳光斑形态示意图，包括高质量光斑的有效区域及在此区域外生成的畸变光斑；
图4为本发明通过多路复用由空间光调制器对多模光纤入射光场进行调制的模块最终实现多通道并行式直写式光刻系统的示意图；其中，系统令6根多模光纤紧密排列成一排，通过空间光调制器的调制实现激发光与抑制光的组合光斑在x方向上扫描，并通过高精度位移台实现光斑阵列在y方向和z方向上扫描；
图5为图4中被特制夹具紧密排列成一排的六根多模光纤的输出端面示意图；
图6为图4中六根多模光纤输出光场在焦平面上能够生成高质量激发光和抑制光组合光斑的区域示意图；
图7为本发明中多模光纤束的出射端被特制夹具紧密排列成蜂窝型阵列示意图；
图8为图7的蜂窝型多模光纤阵列输出光场在焦平面上能够生成高质量激发光和抑制光组合光斑的区域示意图；其中，虚线部分为每根多模光纤能够生成无畸变聚焦光斑的区域，实线部分为光刻过程中每根多模光纤实际负责的光斑扫描区域；
图中：1、激发光光源；2、半波片一；3、透镜一；4、透镜二；5、反射式空间光调制器一；6、反射镜一；7、反射镜二；8、抑制光光源；9、半波片二；10、透镜三；11、透镜四；12、反射式空间光调制器二；13、反射镜三；14、二向色镜；15、显微物镜；16、多模光纤入射端；17-22为六个光斑生成模块；23-28为六根多模光纤；29、光纤夹具；30、光刻胶样品池；31、高精度三维位移台。
具体实施方式
为了更加清楚地阐释本发明的目的、技术方案及优点，以下结合实施例及附图，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原理和精神，均应涵盖在本发明的保护范围内。
本发明通过光斑生成模块在光刻过程中引入另一束环形光束，来抑制被激发光光斑照射到的光刻胶中的光化学反应，从而使制备出的样品中的最小体素尺寸大幅度缩减，实现超分辨的直写式光刻。本发明通过采用空间光调制器对多模光纤出射光场进行精确调制的方法，使一根多模光纤同时输出光刻所需的激发光斑和环形抑制光斑，通过实时变换空间光调制器所加载的相位图来实现多模光纤输出光斑在某一平面小区域内的扫描，并且通过多路复用上述光斑生成模块，构建大规模光纤阵列，使直写式光刻的加工速度得到大幅度提升。另一方面，由于本发明在单一平面内的加工过程无需任何机械扫描结构，也提高了系统加工过程的稳定性。
如图1所示，本发明一种光斑生成模块，具体为：
由线偏振的激发光光源1发出的激光束，经由半波片一2调制为反射式空间光调制器一5所需的线偏振方向，经由透镜一3和透镜二4进行扩束和准直后，射向反射式空间光调制器5。反射式空间光调制器一5的反射面法线与入射的准直光束轴线间的夹角小于8°，且经扩束准直的入射光束最大限度地覆盖反射式空间光调制器一5的反射面，以保证反射式空间光调制器一5能够对光束进行有效的调制。被反射式空间光调制器一5调制后的光束再经由反射镜一6和反射镜二7反射后射入二向色镜14。
由线偏振的抑制光光源8发出的激光束，经由半波片二9调制为反射式空间光调制器二12所需的线偏振方向后，经由透镜三10和透镜四11进行扩束和准直后，射向反射式空间光调制器二12。反射式空间光调制器二12的反射面法线与入射的准直光束轴线间的夹角小于8°，且经扩束准直的入射光束最大限度地覆盖反射式空间光调制器二12的反射面，以保证反射式空间光调制器二12能够对光束进行有效的调制。被反射式空间光调制器二12调制后的光束再经由反射镜三13反射后射入二向色镜14。
经反射式空间光调制器一5和反射式空间光调制器二12调制后的激发光和抑制光束，被二向色镜14合束，再经显微物镜15聚焦后，入射到一根多模光纤的多模光纤入射端16。
激发光和抑制光的波长不同。各个光斑生成模块的输入激发光和抑制光可由独立的激光器实现，或由两台高功率激光器经空间分束实现。各光斑生成模块中输入的激发光和抑制光由两台激光器经空间分束实现时，光斑生成模块还包括空间光分光单元。空间光分光单元可通过级联多组半波片和偏振分束器实现。通过调节半波片的旋转角度，使通过偏振分束器分配至每个多模光纤输入光场预调制单元的光功率相等。
本发明通过圆形的激发光光斑和环形的抑制光光斑同时作用于特制的负性光刻胶，使光刻样品的体素尺寸远小于光学衍射极限；并通过构建多通道并行式直写系统，大幅度提升加工速度。本发明中核心的激发光光斑和抑制光光斑是通过采用空间光调制器对一根多模光纤的输入光场进行调制实现的；通过实时变换空间光调制器所加载的相位图，可以实现多模光纤输出的激发光和抑制光组合光斑在某一平面区域内扫描的功能。在整个系统中复用多个上述光斑生成模块，使每个多模光纤生成组合光斑的扫描范围彼此交叠，所以在单一平面内进行光刻时，无需任何机械位移装置即可快速生成完整的平面结构。结合高精度z方向位移台，即可逐层构建出具有三维结构的样品。
本发明一种基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，包括多个上述光斑生成模块，各光斑生成模块对应的多模光纤输出端，通过特制的光纤夹具被紧密排列成一排或一个阵列，使得每个多模光纤聚焦光斑阵列的无畸变区域互相交叠。且多模光纤输出端面位于同一平面，使光纤并行工作时，聚焦光斑的扫描区域可以覆盖一条直线或一个平面区域而不间断。
本实施例中，如图4所示，系统包括六个上述的光斑生成模块17-22，经光斑生成模块的空间光调制器调制后的光束，分别入射到六根多模光纤23-28，六根多模光纤23-28的输出端被特制的光纤夹具29紧密排列成一排。六根多模光纤23-28的输出端面浸没于光刻胶样品池30中。光刻胶样品池30搭载在高精度三维位移台31上。
在系统初次使用时，需要先对反射式空间光调制器一5和反射式空间光调制器二12可能用到的相位图进行预加载。这些相位图需要采用相应的深度学习算法经过多次反复迭代优化参数来获得。最终生成的每组相位图均可使激发光经反射式空间光调制器一5调制并输入多模光纤后，其输出光场在某一平面上(距离多模光纤出射端面约100mm)为聚焦的高斯光斑；使抑制光经反射式空间光调制器二12调制并输入多模光纤后，其输出光场在同一平面上为聚焦的环形光斑；并使抑制光的环形焦斑能够覆盖激发光的高斯焦斑的大部分外围区域。
本实施例采用的光刻胶为特制负性光刻胶，在未被激发光照射前为液态；当某位置处的负性光刻胶被激发光光斑单独照射时会发生光化学反应而固化；当某位置处的负性光刻胶同时被抑制光和激发光光斑照射时，光刻胶不会发生光化学反应，仍保持液态。光刻胶的光化学反应不可逆，即已固化后的光刻胶不会再还原为液态。由于本发明系统采用负性光刻胶的特性，只有未被环形抑制光斑覆盖的中心区域的激发光可引发光刻胶的固化，所以通过本发明系统制备出的样品的基本体素尺寸远小于激发光的衍射极限，如图2所示。
反射式空间光调制器一5和反射式空间光调制器二12加载不同组相位图时，多模光纤输出的激发光和抑制光组合光斑位于焦平面上的不同位置处。前期研究表明，通过空间光调制器对多模光纤输入光场进行调制的方式使多模光纤输出光场聚焦所获得的焦斑在焦平面的中央区域可以保证良好的质量，但在边缘区域会产生畸变，如图3所示。通过切换本发明系统中光斑生成模块的两个空间光调制器所加载的相位图可使多模光纤出射光场所生成的组合焦斑遍历平面上无畸变区域中的任意位置。
本实施例中，系统工作中每个光斑生成模块通过切换加载到空间光调制器上的相位图，实现激发光和抑制光组合光斑在x方向的扫描，且相邻的两根多模光纤负责的光斑扫描区域恰好相接而不重叠。六根多模光纤23-28生成的组合光斑并行扫描一次，即可使一条线段上所需位置处的光刻胶固化，配合高精度三维位移台31使扫描线段在y方向上步进，即可使平面上一个矩形区域内所需位置处的光刻胶固化，再配合高精度三维位移台31使扫描的矩形区域在z方向上步进，即可实现三维形体的光刻。最后通过显影液将光刻胶样品池30中未固化的光刻胶清洗掉，即可获得所需光刻样品。
本实施例中，如图5所示，光纤夹具29可简单地通过开有V槽的水晶头实现。如图6所示，每根多模光纤出射聚焦光斑的扫描路线在焦斑无畸变区域的直径上，且保证相邻多模光纤的扫描路线恰好相接而不重叠，图中阴影区域(实线内部)为每根多模光纤生成焦斑的无畸变区域，虚线内部为每根多模光纤生成焦斑的实际扫描区域。
如图7所示，另一种高效的实施例为，将多个多模光纤的输出端用特制光纤夹具紧密排列为一个蜂窝型阵列。在此实施例中，如图8所示，相邻多模光纤生成焦斑的无畸变区域能够互相交叠，在对某一平面内的结构进行光刻时，每根多模光纤出射的聚焦光斑在各自负责的一个六边形区域内扫描。此实施例中，无需机械位移装置，即可使某一平面内所需位置处的光刻胶固化；再配合高精度位移台使激光直写的扫描平面区域在z方向上步进，即可实现三维形体的光刻；最后通过显影液将光刻胶样品池中未固化的光刻胶清洗掉，即可获得所需光刻样品。
Claims (10)
1.一种基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，包括光斑生成模块、多模光纤、光纤夹具、光刻胶样品池；每个光斑生成模块对应一根多模光纤；
光斑生成模块采用空间光调制器分别对激发光和抑制光进行调制，再进行合束后入射到对应的多模光纤，在焦平面上生成激发光和抑制光的组合光斑阵列；每个组合光斑为相同中心的圆形的激发光光斑和环形的抑制光光斑的叠加，且抑制光光斑覆盖激发光光斑的部分外围区域；
每个空间光调制器加载有相位图；不同的相位图用于控制多模光纤输出的组合光斑阵列中各光斑出现的位置，使得无需机械位移装置即可实现在某一平面区域内的逐点扫描式光刻；
多模光纤的出射端通过光纤夹具固定并排列成一排或一个阵列，并浸没于光刻胶样品池中；多模光纤的出射端面位于同一平面。
2.如权利要求1所述基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，同一光斑生成模块中的空间光调制器中加载相同的相位图。
3.如权利要求2所述基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，每个多模光纤的逐点扫描范围为无畸变光斑区域。
4.如权利要求1所述基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，还包括位移台，光刻胶样品池搭载在位移台上。
5.如权利要求1所述基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，各光斑生成模块中输入的激发光和抑制光由独立的激光器实现，或由两台激光器经空间分束实现。
6.如权利要求5所述基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，其特征在于：
各光斑生成模块中输入的激发光和抑制光由独立的激光器实现时，光斑生成模块包括激发光光源、抑制光光源、半波片、透镜组、二向色镜、显微物镜，以及对应激发光和抑制光两种不同波长的空间光调制器；激发光光源和抑制光光源发出的激光均为线偏振光；激发光或抑制光经过半波片，调制线偏振方向为空间光调制器工作所需的偏振方向后，由透镜组进行扩束和准直，再射向空间光调制器，然后在二向色镜上合束；
各光斑生成模块中输入的激发光和抑制光由两台激光器经空间分束实现时，光斑生成模块还包括空间光分光单元；空间光分光单元由半波片和偏振分束器实现；通过调节半波片的旋转角度，使通过偏振分束器分配至每个多模光纤输入光场预调制单元的光功率相等。
7.如权利要求1所述基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，空间光调制器的出射光在进入二向色镜前，通过反射镜调整光路。
8.如权利要求1所述基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，采用负性光刻胶，仅被激发光光斑照射到的区域会发生光化学反应而固化，而被抑制光光斑照射到的区域不会固化，通过激发光和抑制光同时作用于光刻胶，使实际被固化的光刻胶体素尺寸小于衍射极限。
9.如权利要求1所述基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，采用反射式空间光调制器，反射面法线与入射光束轴线间的夹角小于8°。
10.如权利要求1所述基于多模光纤阵列输入光场调制的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，相位图采用深度学习算法经过多次反复迭代优化参数来获得。
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