CN113655693A - 基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，激光器波长在采用的光刻胶或光敏树脂的感光范围内；激光器出射的激光经扩束镜和4f系统扩束后，使激光束的1/e2半径大于空间光调制器的填充对角线长度；针孔在双透镜系统的焦点处滤除光束旁瓣；空间光调制器的显示面板为硅基液晶；在空间光调制器上加载计算机全息图，再经傅里叶透镜进行傅里叶变换，在傅里叶透镜后焦面出可得到预期光场相位分布。利用空间光调制器加载加工图形的计算机全息图，在加工平面对图形进行重现，无需制作相位板,更灵活高效。加工立体微纳结构时，利用点源计算法重构三维光场，可实现结构的一次体积成型，无需逐层或逐点打印，提高了加工速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，属于光刻技术领域。
背景技术
光刻技术是利用特定波长的光束在光刻胶表面的特定区域进行曝光，从而实现对应区域图形化的一种微加工技术。目前主流的光刻技术按照曝光时是否需要掩模版分为掩模曝光光刻技术和无掩模光刻技术。掩模曝光光刻技术大多是通过特定波长的光束照射在固定尺寸的掩模版上，由掩模版的材料性质决定光能够透过的区域，从而在掩模版下方指定区域内完成图形化曝光的过程。掩模光刻已经被广泛应用于半导体工业制程，其加工精度高，适合用于大批量加工。但是掩模板的设计制造十分复杂，成本高昂，且掩模板制造完成后只能用于特定图形的加工，应用于小批量的光刻加工可行性不大。
因此无掩模光刻技术得到了快速发展，目前基于波前调制的无掩模光刻技术有干涉光刻术、激光直写和DMD(Digital Micromirror Device,数字微镜器件)投影曝光等。激光直写的主要局限性在于加工扫描所需的大量空间坐标与该工艺固有的串行特性之间的矛盾，限制了其大规模应用。干涉光刻术可制造毫米级别的三维周期性微纳结构，加工效率高，但无法在衬底上加工任意形状的微纳结构，不够灵活。
因此，目前研究趋势是利用可寻址元件来显示数字化掩模或计算机全息图。数字化掩模，如DMD，可以直接调制入射光的振幅，并在加工区域完成图形化曝光，但加工图案被限制为数字化掩模上的振幅图案。液晶空间光调制器通过加载计算机全息图，可调制入射光的相位，在保持较高的光利用率的条件下，生成多个焦点来并行制造任意微纳结构。此外，通过叠加透镜相位图或闪耀光栅相位图，还可以对加工图形进行轴向或横向平移，灵活高效。
为实现立体微结构的加工，常规方法是利用计算机辅助设计软件对三维模型进行分层切片，再逐层投影或逐点加工堆叠成三维模型，打印速度受到了很大的限制。同时，通过逐点和逐面的成型方式打印悬空结构时，必须要加入支撑结构，在打印完成后去除支撑结构时，往往需要物理冲洗和打磨等工艺。因此导致打印多孔结构或悬空结构等复杂结构时工艺复杂度提高，降低了打印精度。解决方案为利用空间光调制器重构三维光场，经中继系统微缩后，对光刻胶进行曝光，可实现三维微结构的一次成型，在保证加工质量的前提下大大加快了打印速度。
本发明充分利用计算机全息图的相位调制优势，开发了一款可制造平面和立体微纳结构，具备并行加工能力的小型图形化曝光装置。
发明内容
本发明提出了一种灵活的微纳加工装置,利用液晶空间光调制器的相位调控能力加载特定的相位图，对入射光的相位进行调控，可以产生二维或者三维光场,再对光敏树脂或光刻胶进行曝光成型,最终加工出平面或立体的微纳结构。
空间光调制器可以在加载加工图形的相位图的同时，叠加闪耀光栅相位图，使加工图形在加工平面上发生偏移。加工图形的偏移量可根据闪耀光栅的相位分布进行调节，进而不必使用二维线性位移台，降低整个加工系统的成本。
空间光调制器重构三维光场，经中继系统微缩后，对光刻胶进行曝光，可实现三维微结构的一次成型，在保证加工质量的前提下大大加快了打印速度。TIABC为全息打印和空间光调制器，是一种三维光场闪耀光栅空间光调制器。
为实现对光敏树脂或光刻胶的曝光成型，本发明采用的技术方案为基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，激光器波长在采用的光刻胶或光敏树脂的感光范围内。激光器出射的激光经扩束镜和4f系统扩束后，使激光束的1/e2半径大于空间光调制器的填充对角线长度。针孔在双透镜系统的焦点处滤除光束旁瓣，使激光光束更加纯净，达到更好的相位调制效果。空间光调制器的显示面板为硅基液晶,利用液晶的双折射效应，硅基液晶上的每个像素在0～2π的范围内调控光的相位。在空间光调制器上加载计算机全息图，再经傅里叶透镜进行傅里叶变换，在傅里叶透镜后焦面出可得到预期光场相位分布。已知预期光强函数为IHP(x,y)，也即期望的加工图案，则：
IHP(x,y)＝|EHP(x,y)|2
其中为ESLM(x,y)为空间光调制器处电场的复指数形式，振幅和相位分别为ASLM(x,y)和φSLM(x,y)，
为傅里叶变换算符。空间光调制器为纯相位调控,因此只要计算出加载到空间光调制器上的相位分布φSLM(x,y),称为计算机全息图，即可在傅里叶透镜的后焦面得到预期光强函数IHP(x,y)。因此，该加工装置具有单点加工和并行加工两种能力。单点加工即空间光调制器加载的一张计算机全息图仅重现一个加工图案，适用于加工图案比较复杂的情况。并行加工指空间光调制器加载的一张计算机全息图可以重现若干个子图案，适用于图案简单且具有周期性时，如激光点阵。对φSLM(x,y)的计算一般通过迭代算法实现，在加工平面微纳结构时，常用GS(Gerchberg-Saxton)算法。
流程如下：
步骤(1)给定预期光强函数IHP(x,y)、光源强度分布函数Is(x,y)和初始相位
Is(x,y)与
组成入射平面的初始复振幅A0(x,y)，对初始复振幅进行傅里叶变换得到衍射面的复振幅A1(x,y)，光强和相位分别为I1(x,y)和
步骤(2)保留衍射面复振幅中A1(x,y)的相位
将光强替换为预期光强函数IHP(x,y)，得到复振幅A'1(x,y)。
步骤(3)对复振幅A'1(x,y)进行傅里叶逆变换，提取结果中的相位信息
并将初始复振幅A0(x,y)中的相位替换为
重复步骤(1)，反复迭代。满足精度要求后提取入射平面的相位，导入空间光调制器，便可于傅里叶透镜的后焦面重现预期光强函数IHP(x,y)。
GS(Gerchberg-Saxton)算法可用于二维光场的计算与重现，即预期光强函数IHP(x,y)在同一平面内。但需要加工立体微结构时，预期光强函数IHP(x,y)是三维的，采用点源计算法重构三维光场，实现立体微结构的一次体积成型。
点源计算法步骤如下：
步骤1、利用计算机辅助设计软件完成待加工结构的三维模型，然后编程将三维模型离散化，以三维矩阵的方式导出其坐标点。
步骤2、将三维模型的每个坐标点视作点光源，每一个点光源到全息面的传播按照夫琅禾费衍射进行计算，把所有坐标点经过夫琅禾费衍射到达全息面的球面波复振幅的进行叠加，便得到了三维物体的计算全息图。
步骤3、将计算全息图导入空间光调制器，在参考光的照射下，可在傅里叶透镜的后焦面出对三维模型进行重建。
相比较于其他基于波前调制的无掩模微纳加工技术，本发明提出的基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置具有以下优点：
1、利用空间光调制器加载加工图形的计算机全息图，在加工平面对图形进行重现，无需制作相位板,更灵活高效。
2、加工立体微纳结构时，利用点源计算法重构三维光场，可实现结构的一次体积成型，无需逐层或逐点打印，提高了加工速度。
3、加工图形经图像中继系统微缩投影后，单次曝光面积很小。为了实现大面积图形的加工，常规方案为利用二维线性位移台搭载基底或比色皿，线性位移台移动来对加工图形进行拼接。因为加工图形分辨率为微米级别，要将两次的加工图形准确地对齐，对二维线性位移台的移动精度提出了很高的要求，满足加工精度要求的线性位移台价格都较高。而空间光调制器可以在加载加工图形的相位图的同时，叠加闪耀光栅相位图，使加工图形在加工平面上发生偏移。加工图形的偏移量可根据闪耀光栅的相位分布进行调节，进而不必使用二维线性位移台，降低整个加工系统的成本。
除了单点加工外，具备并行加工能力，即利用空间光调制器加载的一张计算机全息图可以同时加工若干个子图案，效率更高。
附图说明
图1为本发明的微纳加工装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明采用的技术方案为基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，包括激光器1、扩束镜2、反射镜3、4f系统4、液晶空间光调制器5、傅里叶透镜6、可调狭缝7、第一透镜8、第一分束镜9、第二分束镜10、相机11、黄光LED 12、第二透镜13、显微物镜14、加工平面15；压电式物镜位移台13和光敏树脂或光刻胶14。
实现过程如下：
激光器1波长应在采用的光刻胶或光敏树脂的感光范围内。出射的激光经扩束镜和4f系统扩束后，使激光束的1/e2半径大于空间光调制器的填充对角线长度。针孔可在双透镜系统的焦点处滤除光束旁瓣，使激光光束更加纯净，达到更好的相位调制效果。空间光调制器的显示面板为硅基液晶,利用液晶的双折射效应，硅基液晶上的每个像素可以在0～2π的范围内调控光的相位。在空间光调制器上加载计算机全息图，再经傅里叶透镜进行傅里叶变换，在傅里叶透镜后焦面出可得到预期光场相位分布。
由于空间光调制器液晶像素之间存在间隙，因此部分入射光的相位不能得到控制，在傅里叶透镜的后焦面上会出现零级衍射光斑，零级衍射光斑与正负一级衍射发生重叠，会对微纳结构的加工产生干扰。解决方法之一为在空间光调制器上，将一张闪耀光栅相位图与加工图形的计算机全息图相叠加，使零级衍射光斑与正负一级衍射在傅里叶透镜的后焦面上分开一段距离。并在后焦面上放置一可调狭缝，利用可调狭缝将零级衍射光斑挡住，消除其影响。此外，利用闪耀光栅相位图，可使加工图形在加工平面上进行偏置，进而将单次加工的图形进行拼接，完成大面积的加工需求。
一般而言，傅里叶透镜后焦面上的衍射图案的尺寸较大，还不足以满足微纳加工的需求，需要后续通过图像中继系统对图案进行微缩投影，再对光刻胶或光敏树脂进行曝光成型。图像中继系统包括一个焦距为f1的透镜和一个焦距为f2的显微物镜，为了在光路中透镜和显微物镜之间插入分束镜，其中显微物镜选为无限远共轭。透镜的前焦面应与傅里叶透镜的后焦面相重合，缩小倍率υ由下式计算：
为实现对微纳加工过程的监控以及加工光路的对焦，在透镜与显微物镜之间插入分束镜1和分束镜2，并在垂直加工光路的方向上放置一相机，可为CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)或CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)相机。调整相机位置，使相机到微纳加工成像面之间的光程与傅里叶透镜后焦面到微纳加工成像面之间的光程近似相等，再调节压电式物镜位移台，直到相机可观察到微纳加工成像面上清晰的曝光光斑，完成加工光路的对焦。
显微物镜的工作平面处即为微纳加工的成像面，应根据实验需要，放置旋涂有光刻胶的基底或盛有光敏树脂的比色皿。
该装置利用0.5英寸接杆和接杆底座固定在光学平台上，为达到最优加工精度，光学平台应有良好的隔振效果。激光器工作波长为405nm，扩束镜、反射镜和4f系统起到扩束作用，入射光经空间光调制器调控相位后，傅里叶透镜对入射光场进行二维傅里叶变换，在后焦面上对加工图形进行重现。为了消除零级衍射对加工的影响，在后焦面上放置一可调狭缝，将零级衍射挡住。第一透镜和显微物镜组成图像中继系统，起微缩投影作用，使加工图形缩小并投影到加工平面上，其中显微物镜安装于压电式物镜位移台上。为了加入监测样品表面的相机和照明用的黄光LED，需要在光路中插入第一分束镜和第二分束镜，为了达到良好的分光效果，采用立方体分束镜。第二透镜起成像作用，使加工平面的图形经显微物镜放大后成像于相机传感器表面。傅里叶透镜、第一透镜和第二透镜的焦距均大于0，可以为平凸透镜、双凸透镜、弯月型透镜或双胶合消色差透镜。
Claims (8)
1.基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，其特征在于：激光器波长在采用的光刻胶或光敏树脂的感光范围内；激光器出射的激光经扩束镜和4f系统扩束后，使激光束的1/e2半径大于空间光调制器的填充对角线长度；针孔在双透镜系统的焦点处滤除光束旁瓣；空间光调制器的显示面板为硅基液晶，利用液晶的双折射效应，硅基液晶上的每个像素在0～2π的范围内调控光的相位；在空间光调制器上加载计算机全息图，再经傅里叶透镜进行傅里叶变换，在傅里叶透镜后焦面出可得到预期光场相位分布。
2.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，其特征在于：已知预期光强函数为IHP(x，y)，也即期望的加工图案，则：
IHP(x，y)＝|EHP(x，y)|2
其中为ESLM(x，y)为空间光调制器处电场的复指数形式，振幅和相位分别为ASLM(x，y)和φSLM(x，y)，
为傅里叶变换算符；空间光调制器为纯相位调控，因此只要计算出加载到空间光调制器上的相位分布φSLM(x，y)，称为计算机全息图，即可在傅里叶透镜的后焦面得到预期光强函数IHP(x，y)；该加工装置具有单点加工和并行加工两种能力；单点加工即空间光调制器加载的一张计算机全息图仅重现一个加工图案，适用于加工图案比较复杂的情况；并行加工指空间光调制器加载的一张计算机全息图重现若干个子图案，适用于图案简单且具有周期性时；在加工平面微纳结构时，用GS算法。
3.根据权利要求2所述的基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，其特征在于：流程如下：
步骤(1)给定预期光强函数IHP(x，y)、光源强度分布函数Is(x，y)和初始相位
Is(x，y)与
组成入射平面的初始复振幅A0(x，y)，对初始复振幅进行傅里叶变换得到衍射面的复振幅A1(x，y)，光强和相位分别为I1(x，y)和
步骤(2)保留衍射面复振幅中A1(x，y)的相位
将光强替换为预期光强函数IHP(x，y)，得到复振幅A′1(x，y)；
步骤(3)对复振幅A′1(x，y)进行傅里叶逆变换，提取结果中的相位信息
并将初始复振幅A0(x，y)中的相位替换为
重复步骤(1)，反复迭代；满足精度要求后提取入射平面的相位，导入空间光调制器，便可于傅里叶透镜的后焦面重现预期光强函数IHp(x，y)。
4.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，其特征在于：加工立体微结构时，预期光强函数IHP(x，y)是三维的，采用点源计算法重构三维光场，实现立体微结构的一次体积成型；
点源计算法步骤如下：
步骤1、利用计算机辅助设计软件完成待加工结构的三维模型，然后编程将三维模型离散化，以三维矩阵的方式导出其坐标点；
步骤2、将三维模型的每个坐标点视作点光源，每一个点光源到全息面的传播按照夫琅禾费衍射进行计算，把所有坐标点经过夫琅禾费衍射到达全息面的球面波复振幅的进行叠加，便得到了三维物体的计算全息图；
步骤3、将计算全息图导入空间光调制器，在参考光的照射下，可在傅里叶透镜的后焦面出对三维模型进行重建。
5.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，其特征在于：为实现对微纳加工过程的监控以及加工光路的对焦，在透镜与显微物镜之间插入第一分束镜和第二分束镜，并在垂直加工光路的方向上放置一相机，可为CMOS或CCD相机；调整相机位置，使相机到微纳加工成像面之间的光程与傅里叶透镜后焦面到微纳加工成像面之间的光程近似相等，再调节压电式物镜位移台，直到相机可观察到微纳加工成像面上清晰的曝光光斑，完成加工光路的对焦。
6.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，其特征在于：显微物镜的工作平面处即为微纳加工的成像面，根据实验需要，放置旋涂有光刻胶的基底或盛有光敏树脂的比色皿。
7.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，其特征在于：为了加入监测样品表面的相机和照明用的黄光LED，在光路中插入第一分束镜和第二分束镜，为达到分光采用立方体分束镜；第二透镜起成像作用，使加工平面的图形经显微物镜放大后成像于相机传感器表面。
8.根据权利要求7所述的基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，其特征在于：第一透镜和第二透镜的焦距均大于0，为平凸透镜、双凸透镜、弯月型透镜或双胶合消色差透镜。
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- 2021-07-08 CN CN202110773267.4A patent/CN113655693B/zh active Active
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