CN113867105B - 一种多光束扫描式激光直写装置及其刻写方法 - Google Patents

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Abstract

一种多光束扫描式激光直写装置及其刻写方法。该激光直写光刻装置中的光学扫描部分能够扫描出N束互相平行且相邻光束间距相同的刻写光束。实施刻写时，将待刻写样品固定于该装置中的二轴工件台上，二轴工件台中的刻写轴运行在特定的速度时，配合该激光直写光刻装置的扫描光束后就能刻写出等周期光栅状轨迹。本专利探索了激光直写光刻装置中刻写光束数量N、光束扫描速度和刻写轴速度三个变量与光栅状轨迹的周期的关系，发明了一种能够扫描出N束互相平行且相邻光束间距相同的刻写光束的多光束扫描式激光直写光刻装置，同时提出了利用该装置刻写出等周期光栅轨迹的刻写方法。该方法相比传统多光束方法能有效降低对扫描透镜大口径的需求。

Description

一种多光束扫描式激光直写装置及其刻写方法
技术领域
本发明属于激光直写光刻技术领域，具体是一种多光束扫描式激光直写装置及其刻写方法。
背景技术
激光直写光刻技术作为一种常用的微纳米加工手段，具有成本低、加工速度快、使用便捷等优点，在微电子、集成光学、微机电系统、光信息存储、定制芯片等方面具有广泛应用。
但是，现在限制激光直写光刻技术进一步发展的原因主要有刻写速度和刻写精度都不高这两个方面。在解决刻写速度这一困难上，人们主要采用了多光束方案来解决。传统多光束方案里，其N束刻写光束的排布方式为在同一直线上排布，该方法简单自然，但是该方法难以与转镜这种高速光学扫描器配合，这限制了它的速度上限。本发明专利提供了一种特殊的适用于多光束扫描式激光直写光刻装置的刻写方法。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多光束扫描式激光直写装置及其刻写方法，该方法能适用于转镜这种扫描角度固定的高速光学扫描器，该方案中的多束刻写光束以平行等间距的排布方式进入扫描透镜，有效利用了扫描透镜的入瞳面积，降低了对大口径扫描透镜的依赖。
本发明的技术解决方案如下：
一种多光束扫描式激光直写装置，包括N束刻写激光器、光束方向调整模块、光束扫描器、扫描透镜、场镜、刻写物镜、二轴工件台。装置工作时，所述N束刻写激光器发出N束刻写光束进入光束方向调整模块；光束方向调整模块将N束刻写激光汇聚至所述光束扫描器上的同一点，并且这N束刻写激光每相邻两束激光的入射至光束扫描器的夹角相同；经过所述光束扫描器扫描的N束刻写激光以平行等间距的排布方式进入所述扫描透镜；同时扫描出的刻写光束方向为单向，即从刻写起始端扫描至刻写结束端再跳回刻写起始端进行下一轮扫描；并且光束扫描速度是一致的，即刻写光束扫描至刻写起始端再到下一轮扫描时刻写光束再次扫描至刻写起始端的耗时也是一致的，定义这个耗时为时间周期T；之后刻写光束依次经过所述场镜和刻写物镜后在刻写物镜的工作面上扫描出平行等间距分布的刻写轨迹，设该间距为Δ；在所述二轴工件台上放置待刻写样品，同时保证待刻写样品的刻写表面位于所述刻写物镜的工作面上。
利用上述激光直写装置刻写样品的方法包括以下步骤：
步骤1)所述二轴工件台中垂直于刻写光束方向的轴定义为刻写轴。将待刻写样品放置于所述二轴工件台上，控制二轴工件台的刻写轴运动，同时所述的激光直写光刻装置中的光学扫描部分不停地扫描出刻写光束，此时待刻写样品上就会扫描出光栅状轨迹，定义刻写轴的运动速度为V，在一个时间周期T内每束刻写光束在刻写轴方向上移动的距离为X，X＝TV。
步骤2)当X满足公式(3)时，在待刻写样品上即可获得周期一致的光栅状轨迹，其对应的周期表达式如公式(4)所示，其中M为自然数，表示在一个间距Δ中X的个数，t表示光栅周期。结合X＝TV可得此时的V满足公式(5),即设置刻写轴的速度为公式(5)时可获得公式(4)表示的等周期光栅状图形。
与现有其他多光束刻写方案相比，本发明的优点是：
1)本装置中的二轴工件台无需步进式运动，因为步进式运动需要位移台频繁地加减速，综合刻写效率不高，并且频繁加减速会影响刻写的精度。
2)传统多光束方案中，多光束的扫描轨迹在同一直线上，这需要扫描透镜的尺寸足够大，对扫描透镜的要求较高。本发明的刻写方法中，多光束的扫描轨迹为平行等间距，这种分布方式能有效利用扫描透镜的入瞳面积。
附图说明
图1是本发明多光束扫描式激光直写装置的结构示意图；
图2是本发明多光束扫描式激光直写装置扫描出的刻写光束分布示意图；
图3是本发明的刻写方法实施时的示意图；
图4是实施例1中对应参数M＝0时的扫描轨迹示意图；
图5是实施例1中对应参数M＝1时的扫描轨迹示意图；
图6是实施例1中对应参数M＝2时的扫描轨迹示意图；
图7是实施例2中对应公式MX+(1/5)X＝10,M＝0时的扫描轨迹示意图；
图8是实施例2中对应公式MX+(2/5)X＝10,M＝0时的扫描轨迹示意图；
图9是实施例2中对应公式MX+(3/5)X＝10,M＝0时的扫描轨迹示意图；
图10是实施例2中对应公式MX+(4/5)X＝10,M＝0时的扫描轨迹示意图；
图11是实施例2中对应公式MX+(1/5)X＝10,M＝1时的扫描轨迹示意图；
图12是实施例2中对应公式MX+(2/5)X＝10,M＝1时的扫描轨迹示意图；
图13是实施例2中对应公式MX+(3/5)X＝10,M＝1时的扫描轨迹示意图；
图14是实施例2中对应公式MX+(4/5)X＝10,M＝1时的扫描轨迹示意图；
具体实施方式
下面通过实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。
实施例1
按以下步骤，实现使用双光束扫描式激光直写装置刻写等周期光栅轨迹图形的方法：
步骤1)准备一台能够扫描出两束互相平行且相邻光束间距相同的刻写光束的激光直写光刻装置，设相邻光束扫描在待刻写样品上时的间距为10um；
步骤2)设置该激光直写光刻装置的扫描速度为每秒5000线，即两束刻写光束中的每一束刻写周期为1/5000秒；同时控制二轴工件台的刻写轴的速度，使其与扫描刻写光束配合扫描出刻写轨迹；
步骤3)如附图4所示，不同高度的线表示不同的刻写光束扫描出的刻写轨迹，图中X＝20um，M＝0，此时刻写出的光栅图形周期为10um。即满足条件(3)中的M＝0时，有/>如附图5所示，不同高度的线表示不同的刻写光束扫描出的刻写轨迹，图中X＝20/3um，M＝1，此时刻写出的光栅图形周期为10/3um。即满足条件(3)中的/>M＝1时，有/> 如附图6所示，不同高度的线表示不同的刻写光束扫描出的刻写轨迹，图中X＝4um，M＝2，此时刻写出的光栅图形周期为2um。即满足条件(3)中的/> M＝2时，有/>以此类推，对于该两束扫描式激光直写光刻装置，该刻写方法能够刻写出的等周期光栅的周期为/>其中M为任意自然数。此时对应的X满足关系/>又因为X＝TV,/>故有即当设置二轴工件台的刻写轴速度为V时，即可刻写出对应的等周期光栅图形。
实施例2
按以下步骤，实现使用五光束扫描式激光直写装置刻写等周期光栅轨迹图形的方法：
步骤1)准备一台能够扫描出五束互相平行且相邻光束间距相同的刻写光束的激光直写光刻装置，设相邻光束扫描在待刻写样品上时的间距为10μm；
步骤2)设置该激光直写光刻装置的扫描速度为每秒5000线，即两束刻写光束中的每一束刻写周期为1/5000秒；同时控制二轴工件台的刻写轴的速度，使其与扫描刻写光束配合扫描出刻写轨迹；
步骤3)如附图7、8、9、10所示，不同高度的线表示不同的刻写光束扫描出的刻写轨迹，图7、8、9、10分别代表 四种情况，其中M＝0。此时刻写出的光栅图形周期分别为10μm、5μm、/>即满足条件(3)中的/>＝0时，有/>又因为X＝TV,M＝0，故有/>即当设置二轴工件台的刻写轴速度为V时，即可刻写出对应的等周期光栅图形。如附图11、12、13、14所示，不同高度的线表示不同的刻写光束扫描出的刻写轨迹，图11、12、13、14分别代表/> 四种情况，其中M＝1。此时刻写出的光栅图形周期分别为/>即满足条件(3)中的/>＝1时，有/>又因为X＝TV,/> M＝1，故有即当设置二轴工件台的刻写轴速度为V时，即可刻写出对应的等周期光栅图形。以此类推，对于该五束扫描式激光直写光刻装置，该刻写方法能够刻写出的等周期光栅的周期为/>其中M为任意自然数。此时对应的X满足关系/>又因为X＝TV,/>故有/>即当设置二轴工件台的刻写轴速度为V时，即可刻写出对应的等周期光栅图形。

Claims (1)

1.一种利用多光束扫描式激光直写装置进行刻写的方法，所述装置包括N束刻写激光器(1)、光束方向调整模块(2)、光束扫描器(3)、扫描透镜(4)、场镜(5)、刻写物镜(6)和供待刻写样品放置的二轴工件台(7)，且待刻写样品的刻写表面与所述的刻写物镜(6)的工作面重合；所述N束刻写激光器(1)发出N束刻写光束经所述的光束方向调整模块(2)汇聚至所述的光束扫描器(3)上的同一点，且这N束刻写光束每相邻两束光束的入射至所述的光束扫描器(3)的夹角相同；经该光束扫描器(3)扫描的N束刻写光束以平行等间距的排布方式依次经过所述扫描透镜(4)、场镜(5)和刻写物镜(6)，并在待刻写样品的刻写表面扫描出平行等间距Δ分布的刻写轨迹；其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1)将待刻写样品放置于所述二轴工件台(7)上，设二轴工件台(7)垂直于刻写光束方向的轴定义为刻写轴；
步骤2)N束刻写激光器(1)发出N束刻写光束经所述的光束方向调整模块(2)汇聚至所述的光束扫描器(3)上的同一点，且这N束刻写光束每相邻两束光束的入射至所述的光束扫描器(3)的夹角相同；所述的光束扫描器(3)扫描出N束刻写光束，经所述的光束扫描器(3)扫描的N束刻写光束以平行等间距的排布方式进入所述扫描透镜(4)，且扫描出的刻写光束方向为单向，即从刻写起始端扫描至刻写结束端再跳回刻写起始端进行下一轮扫描，且光束扫描速度一致，即刻写光束扫描至刻写起始端再到下一轮扫描时，刻写光束再次扫描至刻写起始端的耗时一致，定义这个耗时为时间周期T；之后刻写光束依次经过所述场镜(5)和刻写物镜(6)后，在刻写物镜(6)的工作面上扫描刻写轨迹；
步骤3)控制二轴工件台(7)的刻写轴运动速度V，满足如下公式1)，从而确保在所述的刻写物镜(6)的工作面上扫描出等间距Δ，且满足周期表达式2)的光栅周期t的刻写轨迹
式中，M为自然数,表示在一个刻写轨迹的间距Δ中X的个数，X为在一个时间周期T内每束刻写光束在刻写轴方向上的移动距离，即X＝TV。
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