CN113909698B - 一种并行穿插高速激光直写光刻的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并行穿插高速激光直写光刻的方法与装置。本发明方法使用并行穿插算法，包括步骤：1)基于刻写光空间光调制器产生刻写用多光束实心光斑；2)基于多通道声光调制器输出刻写波形，首先只输出第N_beams束光的刻写波形；3)经过n次扫描后开始输出第N_veams‑1束光的刻写波形；4)再经过n次扫描后开始输出第N_beams‑2束光的刻写波形；5)重复步骤3)‑4)直到所有光束波形都开始输出。本发明装置基于并行穿插扫描策略，有效解决了现有并行转镜激光直写光刻系统由于扫描策略过于简单而导致刻写效率低下的问题。

Description

一种并行穿插高速激光直写光刻的方法与装置

技术领域

本发明属于双光子激光直写光刻领域，尤其涉及一种并行穿插高速激光直写光刻的方法与装置。

背景技术

双光子激光直写可以在保持nm-um级高精度的同时，实现mm-cm级介观尺寸物体的加工。这一能力允许人们在介观尺寸物体上实现微米级甚至纳米级的功能特征，这在高精度新型复杂器件与结构研究领域显得尤其重要，例如片上集成系统，微纳光学，超材料等。现阶段，双光子激光直写光刻技术依然存在一些问题，其中难以实现介观尺度的高速刻写是制约其进一步推广的主要因素，以扫描速度不足与刻写策略不完善为主要原因。

使用更高速的扫描元件对传统振镜进行替换，例如多面体扫描镜(PLS)，又称转镜，或者声光偏转器(AOD)可有效提高刻写速度。另一方面，使用多光束同步扫描也是提升刻写速度的有效方法。如何将两者有效结合，是目前双光子激光直写光刻发展的一个主流方向。目前，AOD因为对光入射角要求高以及群速度色散等问题，难以与多光束扫描相结合，而转镜，可以达到与AOD同等级的扫描速度，并且易于和多光束扫描相结合。但是转镜只能沿同一个方向扫描，因此它在使用上不够灵活。目前使用转镜进行多光束并行激光直写的方法比较简单，难以真正发挥多光束转镜扫描的优势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种并行穿插高速激光直写光刻的方法与装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种并行穿插高速激光直写光刻的方法，包括以下步骤：

a)基于激光器产生一束刻写激光；

b)基于光学衍射器件产生不同衍射方向传播的多路光束；

c)基于像旋转器对多光束排布方向进行调制；

d)基于位移台匀速纵向运动；

e)基于转镜对多光束进行高速横向扫描；

f)基于多通道高速光开关，输出多通道刻写波形；

g)位移台匀速移动直到完成一整列区域刻写，关闭光开关，位移台进行一次步进移动；

h)重复步骤e)-g)，直到所有图形刻写完成。

进一步地，所述基于光学衍射器件产生不同衍射方向传播多路光束，包括：使用空间光调制器加载全息图产生多路光束，或者使用衍射光学元件DOE产生多路光束。

进一步地，所述基于像旋转器对多光束排布方向进行调制，调制角度θ_r满足：

n×N_beams×δd+δd＝D|sinθ_r|+D|cosθ_r|·δd/L_max

其中，调制角度θ_r被定义为转镜扫描方向与多光束排列方向的夹角；n为整数，表示经过n次扫描后第一束光束到达指定位置，该位置与多光束最后一束第一次刻写位置相距δd；δd表示线条间距(分辨率/um)；N_beams表示光束数，为整数；D表示多光束相邻的两光束之间的间距；L_max表示转镜在物镜焦平面单次扫描可达到的最大长度。

进一步地，所述基于位移台匀速纵向运动，运动方向与转镜扫描方向垂直，运动速度v_s满足：

v_s＝δd/L_max×v_PLS

其中，v_PLS表示转镜扫描速度。

进一步地，所述基于多通道高速光开关，输出多通道刻写波形，输出的多通道刻写波形满足并行穿插算法，包括步骤：

a)首先只输出第N_beams束光的刻写波形；

b)经过n次扫描后开始输出第N_beams-1束光的刻写波形；

c)再经过n次扫描后开始输出第N_beams-2束光的刻写波形；

d)重复步骤b)-c)直到所有光束波形都开始输出。

进一步地，所述位移台进行一次步进移动，位移台移动方向平行于转镜刻写方向。移动距离L_step为：L_step＝L_max-L_useless，其中L_useless表示无效刻写区域，L_useless＝L_out+D×N_beams|cosθ_r|；其中第一项L_out表示转镜边缘由于切到光斑而产生的无效刻写长度，第二项表示由于多光束倾斜而导致的无效刻写长度。

一种并行穿插高速激光直写光刻的装置，用于实现上述方法，包括：

激光器，产生一束飞秒激光束用于双光子激光直写；

群速度色散补偿单元，对800nm飞秒脉冲进行负的群速度色散预补偿，用于抵消后续光路传播中所产生的正群速度色散；

扩束整形装置，用于产生高质量的扩束、准直偏振光；

光学衍射器件，用于产生高通量并行刻写光束；

多通道高速光开关装置，用于独立控制高通量并行刻写光束中各子光束的通断；

像旋转器装置，用于将多光束排布方向与转镜扫描方向进行连续调节；

高速转镜，用于实现高通量并行刻写光束的水平并行扫描；

扫描透镜系统，用于将高通量并行刻写光束聚焦在光刻样品上；

样品平移运动机构，用于将光刻样品垂直步进移动和大范围三维移动。

优选地，所述激光器使用532nm或780nm飞秒激光器。

优选地，所述群速度色散补偿单元包括群速度色散补偿元件，若干反射镜以及一维位移台，飞秒激光入射后经过反射镜引导反复通过群速度色散补偿元件，共计4次。通过一维位移台调节第一次入射和第二次入射之间的距离可调节补偿量。

优选地，所述群速度色散补偿元件包括但不限于以下元件：光栅，棱镜。

优选地，所述补偿量计算方式参考文献Kim,D.U.,et al.,Two-photonmicroscopy using an Yb(3+)-doped fiber laser with variable pulse widths.OptExpress,2012.20(11):p.12341-9。

优选地，所述后续光路传播中所产生的正群速度色散的计算方法如下：

a)确定系统中所有可产生群速度色散的光学元件；

b)确定以上各个元件所使用的材料；

c)在文献或在线数据库中查询各个材料的群速度色散GVD大小；

d)确定各个元件的厚度d；

e)根据公式GDD＝∑GVD_i×d_i,i＝1,2,3…确定系统总的群速度延迟GDD，公式中i表示第i个元件。

优选地，所述光学衍射器件包括但不限于以下器件：空间光调制器SLM、衍射光学元件DOE。

优选地，所述多通道高速光开关使用多通道声光调制器。

优选地，所述扩束装置包括两个透镜，前后摆放的两个透镜焦点重合，焦距f₁,f₂与入射/出射光斑大小之间D₁,D₂存在以下关系：

优选地，所述整形装置在扩束装置的基础上，在两个透镜重合的焦点位置放置一个针孔，针孔大小D由以下公式确定：

λ表示波长，f表示入射透镜焦距，r表示入射光束能量1/e²处半径。

优选地，所述像旋转装置，包括但不限于以下器件：道威棱镜、三面反射镜。

优选地，所述扫描透镜系统，包括一个扫描透镜，一个场镜以及一个物镜。扫描透镜与场镜组成4f系统，放置于转镜与物镜之间，转镜与物镜分别置于4f系统的前后焦平面处。

优选地，所述样品平移运动机构包括但不限于以下器件：压电位移台、空气轴承位移台、机械电动位移台、手动位移台，以及至少含有一种上述器件的组合。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提供了一套高速并行激光直写系统装置，使用像旋转器对多光束的排列方向进行旋转操作，通过像旋转器对调制角度θ_r进行连续调节，可实现高速并行插空刻写方法。解决了传统转镜激光直写系统中由于扫描策略简单导致刻写速度慢的问题；

(2)本发明提出了一种高速并行转镜扫描方法，利用像旋转器调节多光束排布方向与转镜扫描方向的夹角，使用并行穿插算法进行扫描，可以实现最高效的扫描。解决了传统转镜激光直写系统由于扫描策略简单的问题，可有效提高刻写效率。

附图说明

图1为本发明并行穿插高速激光直写光刻的装置的示意图；其中：1、780nm飞秒激光器；2、780nm半波片；3-4、反射镜；5-6、衍射光栅；7、屋脊反射镜；8、反射镜；9-10、4f扩束透镜组；11-12、反射镜；13、空间光调制器；14、反射镜；15、透镜；16、多通道声光调制器；17、透镜；18、反射镜；19、像旋转器；20、反射镜；21、转镜；22、扫描透镜；23、场镜；24、二向色镜；25、高NA物镜；26、光刻胶样品；27、压电位移台；28、空气轴承位移台；29、成像透镜；30、等比例分光片；31、聚光透镜；32、光阑；33、照明光源；34、相机；35、计算机；

图2为本发明并行穿插高速激光直写光刻的方法实现的示意图；其中，空心箭头表示刻写方向；

图3为本发明中像旋转器装置的示意图；其中：36、反射棱镜；37、反射镜；

图4为空间光调制器产生的6光束实验拍摄照片的示意图。

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。

本发明一种并行穿插高速激光直写光刻的装置，由激光器、群速度色散补偿单元、扩束/整形装置、光学衍射器件、多通道高速光开关装置、像旋转器装置、高速转镜、扫描透镜系统、样品平移运动机构组成。

如图1所示，本发明一种实施例，具体为：780nm飞秒激光器1产生一束780nm飞秒激光，透过780nm半波片2进行偏振调整。再经过反射镜3-4调整激光方向后，透过衍射光栅5-6，再由屋脊反射镜7对光束进行高度提升后，原路返回衍射光栅6-5。反射镜3选择为D型反射镜，从衍射光栅5返回的光束经反射镜4反射，从反射镜3上方传播(即越过反射镜3)，并由反射镜8反射进入扩束透镜组9-10，完成扩束。再由反射镜11-12调整光束方向后入射到空间光调制器13，通过在空间光调制器13上加载全息图将单光束调制为多光束。再经过反射镜14反射，通过透镜15对全息图进行傅里叶变换，在透镜15焦平面处产生多焦点。多通道声光调制器16放置在透镜15焦平面处，每个通道通过一个焦点，以实现对每一束光的独立调制。再由透镜17对发散光重新准直，经过反射镜18，进入像旋转器19。经过像旋转器19调制后，经反射镜20反射后进入转镜21。多光束通过转镜21反射后经扫描透镜22、场镜23，再由二向色镜24反射后进入高NA物镜25，并聚焦到光刻胶样品26上。压电位移台27和空气轴承位移台28在程序控制下带动光刻胶样品26进行扫描运动。照明光源33采用LED灯，发出的照明光通过光阑32后被聚光透镜31转化为平行光，再经过等比例分光片30反射后，依次经过成像透镜29、二向色镜24，聚焦到高NA物镜25的入瞳处。此外，光刻胶样品26处图像依次经过高NA物镜25、二向色镜24、成像透镜29、等比例分光片30成像到相机34处，用于刻写观察。如图4所示为实验中在高NA物镜25焦平面测到的六光束成像图。

如图2所示，本发明一种并行穿插高速激光直写光刻的方法，提供了一种具有创新性的扫描方式——插空扫描，以图中三光束为例进行说明。图中1，2，3表示初始的三光束，为了方便表述，我们先认为1^*，2^*表示第2次扫描，1^**表示第3次扫描。这里的一个核心思想是三束光组成一个扫描单元，但这个扫描单元里的三束光在时间上并不是同一时刻的，比如第三次扫描的1^**和第二次扫描的2^*与第一次扫描的3组成了一个扫描单元，我们这里将这种扫描方式称为插空扫描。实际情况中，从1到1^*往往不是一次完成的，这里需要满足的公式是：

n×N_beams×δd+δd＝D|sinθ_r|+D|cosθ_r|·δd/L_max

其中，n为整数，表示经过n次扫描后光束1到达1^*位置，这里1^*位置被定义为距离光束2为δd的位置；δd表示线条间距(平行于位移台扫描方向)，分辨率/um；N_beams表示光束数，为整数；D表示相邻两光束起始点之间的间距(如图中光束1和2黑点间距)；θ_r表示多光束排布方向与转镜扫描方向夹角；L_max表示转镜在物镜焦平面单次扫描可达到的最大长度。位移台匀速移动直到完成左边一整列区域的刻写，关闭光开关，然后位移台按照图2下方箭头所示进行一次步进移动。

如图3(a)所示，本发明一种像旋转器装置的设计方案，具体为：反射棱镜36顶角为120°，顶角距离反射镜37的距离H与斜边L满足L＝2H；图中箭头所指为像平面。图3中的(b)、(c)、(d)为(a)的模拟仿真结果；仿真结果显示的为像平面上多光束的排列方向随像旋转器旋转而产生的旋转。(b)为像旋转器0°，此时多光束竖直排列；(c)为像旋转器22.5°，此时多光束旋转45°排列；(d)为像旋转器45°，此时多光束旋转90°，水平排列。

Claims (7)

1.一种并行穿插高速激光直写光刻的方法，其特征在于，包括步骤：

a)基于激光器产生一束刻写激光；

b)基于光学衍射器件产生不同衍射方向传播的多路光束；

c)基于像旋转器对多光束排布方向进行调制；调制角度θ_r满足：

n×N_beams×δd+δd＝D|sinθ_r|+D|cosθ_r|·δd/L_max

其中，调制角度θ_r被定义为转镜扫描方向与多光束排列方向的夹角；δd表示线条间距；n为整数，表示经过n次扫描后第一束光束到达指定位置，该位置与多光束最后一束第一次刻写位置相距δd；N_beams表示光束数，为整数；D表示多光束相邻的两光束之间的间距；L_max表示转镜在物镜焦平面单次扫描可达到的最大长度；

d)基于位移台匀速纵向运动；

e)基于转镜对多光束进行高速横向扫描；

f)基于多通道高速光开关，输出多通道刻写波形；

g)位移台匀速移动直到完成一整列区域刻写，关闭光开关，位移台进行一次步进移动；

h)重复步骤e)-g)，直到所有图形刻写完成。

2.如权利要求1所述并行穿插高速激光直写光刻的方法，其特征在于，步骤d)中，运动方向与转镜扫描方向垂直，运动速度v_s满足：

v_s＝δd/L_max×v_PLS

其中，v_PLS表示转镜扫描速度。

3.如权利要求1所述并行穿插高速激光直写光刻的方法，其特征在于，步骤f)中，输出的多通道刻写波形满足并行穿插算法，包括步骤：

f1)首先只输出第N_beams束光的刻写波形；

f2)经过n次扫描后开始输出第N_beams-1束光的刻写波形；

f3)再经过n次扫描后开始输出第N_beams-2束光的刻写波形；

f4)重复步骤f2)-f3)直到所有光束波形都开始输出。

4.如权利要求1所述并行穿插高速激光直写光刻的方法，其特征在于，步骤g)中，位移台进行一次步进移动的移动方向平行于转镜刻写方向；移动距离L_step为：

L_step＝L_max-L_useless

L_useless＝L_out+D×N_beams|cosθ_r|

其中，L_useless表示无效刻写区域，第一项L_out表示转镜边缘由于切到光斑而产生的无效刻写长度，第二项D×N_beams|cosθ_r|表示由于多光束倾斜而导致的无效刻写长度。

5.一种用于实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，包括：

激光器，用于发出刻写激光；

群速度色散补偿单元，用于抵消后续光路传播中所产生的正群速度色散；

扩束整形装置，用于产生高质量的扩束、准直偏振光；

光学衍射器件，用于产生高通量并行刻写光束；

多通道高速光开关装置，用于独立控制高通量并行刻写光束中各子光束的通断；

像旋转器装置，用于将多光束排布方向与转镜扫描方向进行连续调节；

高速转镜，用于实现高通量并行刻写光束的水平并行扫描；

扫描透镜系统，用于将高通量并行刻写光束聚焦在光刻样品上；

样品平移运动机构，用于将光刻样品垂直步进移动和大范围三维移动。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述群速度色散补偿单元包括群速度色散补偿元件，若干反射镜以及一维位移台；所述光学衍射器件包括空间光调制器SLM、数字微镜器件DMD、衍射光学元件DOE；所述多通道高速光开关装置为多通道声光调制器；所述扫描透镜系统包括但不限于以下器件：扫描透镜、场镜和物镜，以及至少含有一种上述器件的组合；所述样品平移运动机构包括但不限于以下器件：压电位移台、空气轴承位移台、机械电动位移台、手动位移台，以及至少含有一种上述器件的组合；所述像旋转器装置包括道威棱镜、三面反射镜。

7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述群速度色散补偿元件包括但不限于以下元件：光栅，棱镜。

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