CN114326322A - 基于微透镜阵列和dmd的高通量超分辨激光直写系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统。该系统使用一片包括m×m个镜元的微透镜阵列产生m×m束并行光束，结合紫外飞秒激光器、四光束分束器、DMD、合束器、平板光束位移元件、透镜、物镜搭建而成的光路在物镜焦平面上形成2m×2m个焦点点阵分布，将基于微透镜阵列和DMD的激光直写通量提高到原来的4倍，大幅提高直写速度，且每个焦点可由DMD独立调节光强，从而结合直写算法实现任意图形的并行超分辨激光直写。本发明可应用于微透镜阵列、衍射光学元件、光刻掩模板等的快速加工制造。
Description
技术领域
本发明属于光学工程领域，尤其涉及一种基高通量超分辨激光直写系统。
背景技术
激光直写具有成本低、无需真空环境、无需掩膜板等优点，为微纳元件加工提供了新的方法，特别是飞秒激光直写技术主要利用材料与光的非线性作用，将材料的双光子吸收范围限制在焦点处比艾里斑小的高能量区域，可实现特征尺寸接近电子束曝光水平的三维超分辨直写。
随着激光直写分辨率的提高，其应用前景得到广泛关注，但是直写速度成为限制其应用的主要因素。并行激光直写技术采用多光束方案，通过光学系统在光刻胶上形成多焦点点阵同时对光刻胶进行曝光，结合扫描路径规划、光束独立开关实现高速任意图形直写，成为一种重要的通量提高方法，其中多光束可通过DMD(数字微镜阵列)、SLM(空间光调制器)产生。文献[Nature Nanotechnology,5,637–640(2010)]利用DMD和近场探针阵列实现了250nm分辨率的千束光并行直写，但是近场探针无法实现三维加工。另外，基于微透镜阵列和DMD的并行激光直写系统可以实现三维加工，但是近场探针和微透镜阵列的数量均无法进一步提高，这限制了并行激光直写的速度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统，包括激光器、微透镜阵列、四光束分束器、2个光束数增倍单元、平板光束位移元件、双光束合束镜、多组4f系统；多组4f系统包括物镜。四光束分束器由3个双光束分束器组成。
激光器输出的光束，经过微透镜阵列形成m×m个子光束，进入四光束分束器，分束成等光强的4束m×m光束；四光束分束器中同一双光束分束器出射的两光束进入同一光束数增倍单元；每个光束数增倍单元输出两束2m×m光束，一起进入双光束合束镜，经合束后，在物镜焦平面上，形成2m×2m个的焦点点阵。
进一步地，光束数增倍单元由2个DMD、平板光束位移元件、双光束合束镜组成，两束m×m光束分别进入2个DMD，独立调控各子光束光强；其中一个DMD出射的光束经过平板光束位移元件，最后两束光在双光束合束镜合束。
进一步地，当所有平板光束位移元件均未发生旋转时，物镜焦平面上形成m×m个周期性分布的焦点点阵且间隔为t。通过旋转平板光束位移元件使光束发生位移，从而物镜焦平面上形成2m×2m个周期性分布的焦点点阵且间隔为t/2。
进一步地，平板光束位移元件为厚度为T折射率为nT的平板玻璃，当光束以与法线夹角θT入射时，出射光以平行于入射光的方向出射，且与入射光相比产生横向位移DT：
旋转平板光束位移元件，改变横向位移DT。
进一步地，四光束分束器的3个双光束分束器中，一个双光束分束器的斜面方向与x方向成-45度角，另外两个双光束分束器的斜面方向与x方向成45度角，且双光束分束器斜面上镀有半透半反膜。
进一步地，激光器为飞秒激光器。
进一步地，激光器为紫外飞秒激光器。
进一步地，还包括反射镜，用于改变光路方向。
进一步地，多组4f系统还包括准直镜；微透镜阵列出射的光束经过准直镜准直。
本发明的有益效果是：本发明可以仅使用一片包括m×m个镜元的微透镜阵列，在光路中设计了4光束分束系统、光束数增倍单元、多个4f成像系统，以在物镜的焦平面上形成2m×2m个周期性分布的焦点，将基于微透镜阵列和DMD的激光直写通量(物镜焦平面的焦点点阵数量)提高到原来的4倍，大幅提高直写速度；且通过DMD可对每个焦点的光强进行独立调节和开关，从而结合直写算法实现任意图形直写。本发明系统可广泛应用于并行激光直写系统，特别地，当光源为紫外飞秒激光时，有潜力实现亚50nm的大规模激光直写。
附图说明
图1是本发明高通量超分辨激光直写系统的光路图；
图2是微透镜阵列局部放大的结构示意图；
图3是微透镜阵列后焦平面上的焦点点阵分布图；
图4是四光束分束器BS原理图；
图5是2×2DMD控制单元的DMD局部结构示意图；
图6是平板光束位移元件原理图；
图中，1-激光器，2-反射镜，3-微透镜阵列，4-微透镜阵列后焦平面，m×m焦点点阵4-1，5-准直镜，6-四光束分束器，双光束分束器6-1、6-2、6-3，7-光束数增倍单元，8-光束数增倍单元，DMD 7-1/8-1、DMD 7-2/8-2、平板光束位移元件7-3/8-3、双光束合束镜7-4/8-4，9-镜头，10-反射镜，11-镜头9后焦平面，2m×m分布的焦点点阵11-1，12-镜头，13-平板光束位移元件，14-镜头，15-反射镜，16-镜头14后焦平面，17-镜头，18-双光束合束镜，19-反射镜，20-镜头，21-镜头20后焦平面，22-镜头，23-物镜，24-物镜焦平面，2m×2m分布的焦点点阵24-1。
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，本发明一种基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统，包括：激光器1，反射镜2、10、15、19，微透镜阵列3，准直镜5，四光束分束器6，光束数增倍单元7、8，镜头9、12、14、17、20、22，平板光束位移元件13，双光束合束镜18，物镜23和光刻胶。
激光器1为脉冲周期为10fs-250s的飞秒激光器，激光波长范围200～800nm；特别当波长为400nm左右时，直写分辨率可以达到50nm。激光输出方式为空间光输出，且光束直径不小于微透镜阵列3的对角线长度D(或者经过扩束后不小于此值)。
反射镜2、10、15、19为宽带介质膜反射镜(用于连续激光)，或者低群延时色散反射镜(用于飞秒激光)，且具有高于99％的反射率。其中，当低群延时色散反射镜用于45°的入射角时，小于|30fs2|的低群延迟色散有助于防止入射脉冲展宽。
如图2所示，微透镜阵列3为在二维方向上周期排列的m×m个球面镜镜元，每个镜元为焦距为
的球面镜；其中，n为微透镜材料折射率，n’为空气折射率，r为球面镜镜元的曲率半径。微透镜阵列3平面朝向反射镜2，曲面朝向准直镜5；激光器1发出激光经微透镜阵列3后，在微透镜阵列后焦平面4上，形成m×m个焦点点阵分布，如图3所示。
准直镜5焦距为f5，且准直镜5前焦面与微透镜阵列后焦平面4重合，用于将微透镜阵列3出射的光准直成m×m个子光束，这些子光束为视场角各不相同的平行光。微透镜阵列3球面镜镜元的数值孔径为NA＝sin(arctan(d/2f′))，每束子光束直径约为e＝(d/f′)f5；其中，d为微透镜阵列3球面镜镜元的直径。m×m个子光束的半视场角为
准直镜5准直后的光束经四光束分束器6分为4束光强相等的光束。
如图4所示，四光束分束器6的功能是，将入射光束6-1-0分束成等光强的4光束6-2-1、6-2-2、6-3-1、6-3-2，且每束光包括m×m个子光束。四光束分束器6由3个双光束分束器6-1、6-2、6-3组成。其中，双光束分束器6-1的斜面方向与x方向成-45度角，双光束分束器6-2、6-3的斜面方向与x方向成45度角；且3个双光束分束器的斜面上均镀有半透半反膜。光束6-1-0入射双光束分束器6-1，经半透半反面后，分束为等光强的透射光束6-1-1和反射光束6-1-2；光束6-1-1入射双光束分束器6-2，经半透半反面后，分束为等光强的透射光束6-2-1和反射光束6-2-2；光束6-1-2入射双光束分束器6-3，经半透半反面后，分束为等光强的透射光束6-3-1和反射光束6-3-2。
光束数增倍单元7/8由DMD 7-1/8-1、DMD 7-2/8-2、平板光束位移元件7-3/8-3、双光束合束镜7-4/8-4构成。四光束分束器6中同一双光束分束器出射的两光束进入同一光束数增倍单元。各包括m×m个子光束的两束光，经光束数增倍单元7或8形成包括2m×m个子光束的光束。光束数增倍单元7、8分别出射的两束各包括2m×m个子光束的光束，再次经双光束合束镜18，增倍形成包括2m×2m个子光束的光束，该光束经光学系统在物镜焦平面24上，形成2m×2m个间隔为t/2的焦点点阵，通量提高为原来的4倍。光刻胶位于物镜焦平面24处。
DMD由nD×nD个微反射镜阵列构成(nD≥m)，每个微反射镜都能将光线从两个方向反射出去；当处于「ON」状态时，微反射镜会旋转至+Φ度；当处于「OFF」状态，微反射镜会旋转至-Φ度。将DMD与光学系统结合，使得「ON」状态的微反射镜将光线反射进入光学系统，「OFF」状态的微反射镜将光线反射偏离光学系统，从而实现光学系统中光路的开关功能。
在本发明中，DMD中每
个微反射镜组成一个DMD控制单元，共组成m×m个DMD控制单元。每个DMD控制单元与一个微透镜阵列3球面镜镜元相对应，用于控制经过该镜元的子光束，实现曝光面上2m×2m个焦点的光强独立调节。如图5所示，DMD局部的2×2个DMD控制单元中，每个单元包括10×10个微反射镜。DMD控制单元中的任何一个微反射镜都具有开关功能，从而每个DMD控制单元可对每束子光束进行阶数
的光强变化控制，m×m个子光束的光强可独立变化。本发明利用4个DMD对四光束分束器6分束的4束光进行控制，4束光经光学系统后在物镜焦平面24上形成2m×2m个焦点点阵，且2m×2m焦点点阵中每一点的光强都独立可控。因曝光剂量与曝光点尺寸相关，光强控制结合路径规划，可实现线宽可变的任意图形直写。
本发明光学系统包括五个4f系统。基于DMD和光学系统，形成周期性分布的2m×2m个焦点的具体实施方式如下：
4f系统1由准直镜5和镜头9组成，准直镜5的前焦平面与微透镜阵列后焦平面4重合，准直镜5的后焦平面与镜头9的前焦平面重合。根据成像原理，准直镜5和镜头9将微透镜阵列后焦平面4上的m×m焦点点阵4-1(图1仅画出4个)，成像在镜头9后焦平面11上。经过DMD 8-2的光束，由于平板光束位移元件8-3围绕Y轴旋转，经过平板光束位移元件8-3后，形成的焦点阵列在Z方向上发生平移；而经过DMD 8-1的光束形成的焦点点阵，在Z方向上未发生平移；所以在镜头9后焦平面11上形成2m×m分布的焦点点阵11-1(图1)。
4f系统2由准直镜5和镜头14组成，准直镜5的前焦平面与微透镜阵列后焦平面4重合，准直镜5的后焦平面与镜头14的前焦平面重合。根据成像原理，准直镜5和镜头14将微透镜阵列后焦平面4上的m×m焦点点阵4-1，成像在镜头14后焦平面16上。经过DMD 7-2的光束，由于平板光束位移元件7-3围绕绕X轴旋转，经过平板光束位移元件7-3后，形成的焦点阵列在Z方向上发生平移；经过DMD 7-1的光束形成的焦点阵列，在Z方向上未发生平移；所以在镜头14后焦平面16上形成2m×m分布的焦点点阵。当光束位移元件7-3和8-3旋转方向和旋转角度一致(同为顺时针或者逆时针)时，镜头9后焦平面11和镜头14后焦平面16上的焦点点阵具有空间一致性。
4f系统3由镜头12和镜头20组成，将镜头9后焦平面11上的焦点点阵，成像在镜头20后焦平面21上。4f系统4由镜头17和镜头20组成，将镜头14后焦平面16上的焦点点阵，成像在镜头20后焦平面21上。为满足成像关系，镜头12的前焦平面和镜头9后焦平面11重合，镜头17的前焦平面和镜头14后焦平面16重合；镜头12、17的后焦平面均和镜头20的前焦平面重合。镜头9后焦平面11上的焦点点阵，由于平板光束位移元件13围绕Z轴旋转，经过镜头12后，光束在X方向上发生平移；镜头14后焦平面16上的焦点点阵，经过镜头17后，光束未发生平移；所以在镜头20后焦平面21上形成2m×2m分布的焦点点阵24-1(图1)。需要说明的是，当所有平板光束位移元件均未发生旋转时，物镜焦平面24上形成m×m个周期性分布的焦点点阵，且间隔为t。
4f系统5由镜头22和物镜23组成，将镜头20后焦平面21上的焦点点阵，缩倍成像在物镜焦平面24上。其中，物镜23为高NA的物镜。
本发明中光路满足以下关系：镜头9和镜头14参数相同，镜头12和镜头17参数相同。微透镜阵列后焦平面4上的焦点阵列尺寸为a×a。镜头9后焦平面11和镜头14后焦平面16上的焦点阵列尺寸为
镜头20后焦平面21上的焦点阵列尺寸为
物镜焦平面24上的焦点阵列尺寸为
其中，f5、f9、f12、f20、f22、f23分别为准直镜5、镜头9、镜头12、镜头20、镜头22、物镜23的焦距。另外，物镜23入瞳处的子光束直径
应等于或稍大于物镜23的入瞳直径eo，以实现物镜23满瞳入射，从而成像分辨率达到最大，且物镜23入瞳处的光线半视场角
应不大于物镜23的半视场角θo，以实现微透镜阵列后焦平面4上所有的焦点点阵都可成像在物镜焦平面24上。
如图6所示，平板光束位移元件是厚度为T折射率为nT的平板玻璃，当光束以与法线夹角θT入射时，出射光以平行于入射光的方向出射，且与入射光相比产生横向位移DT：
旋转平板光束位移元件，既可实现横向位移DT的改变。
在光束数增倍单元7、8中，双光束合束镜7-4/8-4将DMD 7-1/8-1和DMD 7-2/8-2反射的光束合成一束出射，其中平板光束位移元件7-3/8-3若发生旋转，经双光束合束镜7-4/8-4出射的两光束中心距离为DT且相互平行。
平板光束位移元件固定在一个调节模块上，平板光束位移元件可以在任意方向上进行旋转和倾斜，因而光束可以平行于光轴实现一定距离的位移。
综上，本发明具有以下特点：
(1)光路简单易行。光路中仅使用一片微透镜阵列，通过光路设计，简单地旋转3个平板光束位移元件即可实现光束的平行位移，在物镜焦平面24上形成2m×2m个焦点点阵，将微透镜阵列激光直写通量提高到原来的4倍；
(2)高速且任意图案可写。通过在子光路使用4个DMD，实现对2m×2m个焦点的光强和开关独立控制，结合路径规划，可实现任意图案高速直写和灰度直写。
(3)分辨率高。光源采用紫外飞秒激光器，可实现亚50nm直写分辨率。飞秒激光直写技术主要利用材料与光的非线性作用，将材料的双光子吸收范围限制在焦点处比艾里斑小的高能量区域。
Claims (9)
1.一种基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统，其特征在于，包括激光器、微透镜阵列、四光束分束器、2个光束数增倍单元、平板光束位移元件、双光束合束镜、多组4f系统；多组4f系统包括物镜。四光束分束器由3个双光束分束器组成。
激光器输出的光束，经过微透镜阵列形成m×m个子光束，进入四光束分束器，分束成等光强的4束m×m光束；四光束分束器中同一双光束分束器出射的两光束进入同一光束数增倍单元；每个光束数增倍单元输出两束2m×m光束，一起进入双光束合束镜，经合束后，在物镜焦平面上，形成2m×2m个的焦点点阵。
2.根据权利要求1所述基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统，其特征在于，光束数增倍单元由2个DMD、平板光束位移元件、双光束合束镜组成，两束m×m光束分别进入2个DMD，独立调控各子光束光强；其中一个DMD出射的光束经过平板光束位移元件，最后两束光在双光束合束镜合束。
3.根据权利要求1所述基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统，其特征在于，当所有平板光束位移元件均未发生旋转时，物镜焦平面上形成m×m个周期性分布的焦点点阵且间隔为t。通过旋转平板光束位移元件使光束发生位移，从而物镜焦平面上形成2m×2m个周期性分布的焦点点阵且间隔为t/2。
4.根据权利要求3所述基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统，其特征在于，平板光束位移元件为厚度为T折射率为nT的平板玻璃，当光束以与法线夹角θT入射时，出射光以平行于入射光的方向出射，且与入射光相比产生横向位移DT：
旋转平板光束位移元件，改变横向位移DT。
5.根据权利要求1所述基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统，其特征在于，四光束分束器的3个双光束分束器中，一个双光束分束器的斜面方向与x方向成-45度角，另外两个双光束分束器的斜面方向与x方向成45度角，且双光束分束器斜面上镀有半透半反膜。
6.根据权利要求1所述基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统，其特征在于，激光器为飞秒激光器。
7.根据权利要求1所述基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统，其特征在于，激光器为紫外飞秒激光器。
8.根据权利要求1所述基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统，其特征在于，还包括反射镜，用于改变光路方向。
9.根据权利要求1所述基于微透镜阵列和DMD的高通量超分辨激光直写系统，其特征在于，多组4f系统还包括准直镜等；微透镜阵列出射的光束经过准直镜准直。
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