CN114721233A - 基于光纤器件的光场生成装置及单波长超分辨光刻系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤器件的光场生成装置及单波长超分辨光刻系统，将单一飞秒光源输出光分为两路，其中一路通过元器件的色散将激光脉冲宽度展宽至皮秒量级，另一路通过引入色散补偿模块使激光脉冲宽度保持在飞秒量级。通过光纤模式选择耦合器的调制，将飞秒脉冲激光调制为高斯型激发光，并将皮秒脉冲激光调制为环形抑制光。通过输出的组合光斑和光刻胶的特性，使光刻的最小特征尺寸缩减到衍射极限以下。由于采用同一波长不同脉冲宽度的激光作为激发光和抑制光，避免了由于系统中元器件色差引起的光斑不重合等问题。本发明通过配合光刻胶特性实现突破衍射极限的高精度刻写，整个系统结构简单，抗外界干扰能力强。

Description

基于光纤器件的光场生成装置及单波长超分辨光刻系统

技术领域

本发明属于光学技术领域及光学微加工制造领域，尤其涉及一种基于光纤器件的光场生成装置及单波长超分辨光刻系统。

背景技术

相对于掩膜版曝光式光刻，直写式光刻的加工不只局限于单一平面内，可实现任意三维结构的构建。相对于电子束、离子束等加工技术，直写式光刻无需在真空、强电磁场等极端环境下工作，可适用于生物学研究等更广泛的应用场景。因此直写式光刻技术在当今众多尖端科研和工业制造领域发挥着至关重要的作用。例如制造纳米机器人、超表面光学结构、生物学细胞支架、航空航天超材料、大规模集成电路生产所需的光学掩模版等。但由于直写式光刻通过聚焦光束焦斑在光刻胶中扫描来实现微结构加工，而汇聚焦斑的直径因受衍射极限限制最小只能达到其波长的一半量级，所以理论上通过直写式光刻加工的最小特征尺寸也只能达到光源波长的一半量级。若采用可见光作为直写式光刻的光源，则所得的最小特征尺寸约200nm，在如今很多前沿领域中，这种特征尺寸已经无法满足实际应用需求。

目前已研制出一些初始状态为液体的负性光刻胶。这种光刻胶分子在激发光功率密度非常大的区域有概率发生双光子吸收，即同时吸收两个特定波长的光子发生跃迁，引发一系列光化学反应而固化。一般在飞秒量级的超短脉冲激光所汇聚的焦斑的中心区域才能够实现这种双光子激发。除此之外，这种负性光刻胶还可通过吸收上述特定波长激光中的单个光子发生跃迁，只需皮秒或更宽脉冲的激光或连续激光照射即可引发单光子吸收过程，该过程不会引发光刻胶的固化且为可逆过程，即不被激光照射时，处于高能级的光刻胶分子会自行释放能量并回落至低能级。在被所述特定波长的飞秒激光和宽脉宽或连续激光焦斑同时照射的区域，光刻胶会优先吸收单光子跃迁，不会吸收双光子而固化。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中直写式光刻系统刻写精度受衍射极限限制的不足，提供一种基于光纤器件的光场生成装置及单波长超分辨光刻系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光纤器件的组合光场生成装置，包括飞秒激光器、1×2光纤耦合器、色散补偿模块、光纤延迟线、光纤光开关、光纤模式选择耦合器；所述光纤模式选择耦合器设有激发光输入端、抑制光输入端和输出端口；

由飞秒激光器发出的激光，经由1×2光纤耦合器后，分为激发光路和抑制光路；激发光路激光经过色散补偿模块、光纤光开关之后，进入光纤模式选择耦合器的激发光输入端；抑制光路激光经过光纤延迟线、光纤光开关之后，进入光纤模式选择耦合器的抑制光输入端；

光纤模式选择耦合器采用光纤基模形式光场作为输入，从抑制光输入端输入的光场对应输出为具有环形光场分布形式的涡旋光；从激发光输入端输入的光场对应输出为普通高斯型光场；光纤模式选择耦合器输出端口输出组合光场。

进一步地，装置中的各个元器件对于输入的飞秒激光均具有色散效应，当飞秒激光经过这些器件时，会因色散发生不同程度的脉冲展宽；所述色散补偿模块由光纤器件或空间光学器件实现，具有和其它光纤器件和空间光学器件相反的色散特性，使其所在光路中总色散量抵消为零，所以输入该光路的飞秒激光在最终输出时仍具有飞秒量级的脉冲宽度。

进一步地，所述色散补偿模块由光纤环形器和啁啾光纤光栅实现；激光经光纤环形器的第一端口入射后，首先由第二端口出射并进入啁啾光纤光栅，激光被啁啾光纤光栅反射后又通过第二端口入射光纤环形器，最终从光纤环形器的第三端口出射。

进一步地，所述色散补偿模块由透射式光栅对实现；激光首先通过光纤准直镜准直为空间光束，经反射镜反射后，依次通过透射式光栅对，再经中空屋脊型反射镜反射，之后再一次通过透射式光栅对，经反射镜反射后，进入光纤耦合器。

进一步地，所述光纤延迟线为一段对输入激光具有正向色散效应的单模光纤，使其中通过的激光脉冲宽度从飞秒量级展宽至皮秒量级，并通过光程匹配使激发光路中的飞秒脉冲和抑制光路中的皮秒脉冲，同步输入光纤模式选择耦合器。

进一步地，所述光纤光开关用于控制光纤光路的通断。

进一步地，光纤光开关对于飞秒激光器输出的激光的消光比不小于50dB，光纤光开关的最大调制频率不低于1MHz。

一种采用单波长飞秒激光输入的超分辨直写式光刻系统，包括权利要求1-7任一项所述组合光场生成装置、空间光学透镜组、光刻胶、三维位移台；所述空间光学透镜组将光纤光路输出的光场汇聚到接近衍射极限的尺度；以便配合所述光刻胶的双光子聚合效应以及单光子抑制效应实现超分辨的直写式光刻；所述三维位移台控制搭载在其上的光刻胶样品池的x,y,z三方向的精密位移，配合光纤光开关，可使激光焦斑在光刻胶样品池中的指定空间位置产生并引发该位置光刻胶的固化。

进一步地，所述光刻胶的初始状态为液态，当被特定波长的激光照射时，根据激光脉冲宽度的不同，会发生不同的反应；其中，所述特定波长指可使光刻胶发生能级跃迁的波长：

当光刻胶仅被飞秒脉冲激光照射，且光功率满足发生双光子吸收的条件时，并引发曝光区域内的光刻胶固化；

当光刻胶被皮秒或更宽脉冲的激光照射时，光刻胶会吸收单光子发生跃迁，该过程不会引发光刻胶固化且可逆；

当光刻胶同时被皮秒脉冲激光和飞秒脉冲激光照射时，将优先发生单光子吸收，双光子吸收会被极大抑制，不会引发光刻胶固化。

进一步地，还包括计算机控制单元，用于控制位移台的位移，和控制光刻过程中每一时刻光纤光路的通断，实现光刻过程中的全局控制。

本发明的有益效果是：本发明将单一飞秒光源输出光分为两路，其中一路通过元器件的色散将激光脉冲宽度展宽至皮秒量级，另一路通过引入色散补偿模块使激光脉冲宽度保持在飞秒量级。通过光纤模式选择耦合器的调制，将飞秒脉冲激光调制为高斯型激发光，并将皮秒脉冲激光调制为环形抑制光。通过输出的组合光斑和光刻胶的特性，使光刻的最小特征尺寸缩减到衍射极限以下。由于采用同一波长不同脉冲宽度的激光作为激发光和抑制光，避免了由于系统中元器件色差引起的光斑不重合等问题。本发明通过配合光刻胶的特性实现突破衍射极限的高精度刻写，整个系统结构简单，抗外界干扰能力强，并且由于采用光纤器件完成系统核心结构光场的生成和输出，便于集成并构建大规模多路并行式的直写式光刻系统。

附图说明

图1为当激发光从光纤选模耦合器激发光输入端输入时输出高斯型光束的示意图；

图2为当抑制光从光纤选模耦合器抑制光输入端输入时输出环形光束的示意图；

图3为本发明通过光纤器件实现脉宽压缩的示意图；

图4为本发明中光纤选模耦合器输出的组合焦斑示意图；其中，左边为激发光形成的飞秒脉宽高斯型焦斑；中间为抑制光形成的皮秒脉宽环形焦斑；右边为在激发光与抑制光共同作用下，实际能够引发光刻胶光聚合的有效光斑作用范围；

图5为本发明通过空间光器件实现脉宽压缩的示意图；

图中：飞秒激光器1、1×2光纤耦合器2、光纤环形器3、啁啾光纤光栅4、高速光纤光开关5-6、光纤延迟线7、光纤模式选择耦合器8、空间光学透镜组9、高精度三维位移台10、光纤准直镜11、反射镜12-13、透射式光栅对14-15、中空屋脊型反射镜16、光纤耦合镜17。

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。

本发明利用一台飞秒激光器1作为总输入光源，由该光源发出的激光通过一个1×2光纤耦合器2被分至激发光路和抑制光路这两条光路。其中，抑制光路中的激光经过一系列光纤器件后，脉冲宽度被展宽至皮秒量级；而激发光路中由于加入了色散补偿模块，最终输出的激光依然具有飞秒量级的脉宽。上述两光路最终分别经由光纤模式选择耦合器8的两个不同输入端输入，并从光纤模式选择耦合器8的同一端口输出。如图1所示，通过光纤模式选择耦合器8的激发光输入端以光纤基模形式输入的激光，将被调制为一个高斯型分布的飞秒脉冲光场；如图2所示，通过光纤模式选择耦合器8的抑制光输入端以光纤基模形式输入的激光，将被调制为一个具有环形分布的皮秒脉冲光场。当光纤模式选择耦合器8的两输入端均有输入时，输出的环形皮秒脉冲光场会覆盖高斯型飞秒脉冲光场的大部分外围区域，两光场在空间中保持同轴传输。这种组合光场，经空间光学透镜组9汇聚为衍射极限尺度的组合焦斑，采用这种组合焦斑配合光刻胶进行直写式光刻，可使刻写的最小特征尺寸突破衍射极限。

如图3所示，本发明实施例一种基于光纤器件的组合光场生成装置，包括飞秒激光器1、1×2光纤耦合器2、光纤环形器3、啁啾光纤光栅4、高速光纤光开关5-6、光纤延迟线7、光纤模式选择耦合器8。其中，光纤模式选择耦合器8具有两个输入端口，对于某一特定波长的激光，当从光纤模式选择耦合器8的某一特定端口输入时，输出具有涡旋相位分布的环形光束；当从光纤模式选择耦合器8的另一端口输入时，输出普通高斯型光束。光纤模式选择耦合器8两端口同时有激光输入时，输出的环形光束与普通高斯型光束空间中保持严格同轴传播。高速光纤光开关5-6可通过驱动器实时控制光纤光路的通断，可以由集成于光纤中的声光调制器或电光调制器等实现；优选地，高速光纤光开关5-6对于光源波长的消光比不小于50dB，最大调制频率不低于1MHz。

具体地，由飞秒激光器1发出的激光，经由1×2光纤耦合器2后，分为激发光路和抑制光路两部分光路。所有光纤器件与空间光学器件对于光源发出的飞秒激光均具有色散效应，当飞秒激光经过这些器件时，会因色散发生不同程度的脉冲展宽。

激发光路中，通过色散补偿模块，使最终输出的光场仍具有飞秒量级脉冲宽度。在本实施例中，色散补偿模块由光纤环形器3和啁啾光纤光栅4实现。激光经光纤环形器3的第一端口入射后，首先由第二端口出射并进入啁啾光纤光栅4，激光被啁啾光纤光栅4反射后又通过第二端口入射光纤环形器3，最终从光纤环形器3的第三端口出射。从光纤环形器3的第三端口出射的激光，经过高速光纤光开关5之后，进入光纤模式选择耦合器8的激发光输入端。其中，啁啾光纤光栅4的参数，是针对整个装置光路设计的，使得通过其反射的激光的色散预补偿量，刚好能够抵消所在光路中其它光纤和空间光器件带来的色散量。

抑制光路中，通过一段较长的光纤延迟线7，利用激光的色散效应，使输入的飞秒激光的脉冲宽度展宽至皮秒量级，并且光纤延迟线7的光程被精确控制，使激发光路和抑制光路中的激光脉冲，在输入光纤模式选择耦合器8时严格同步。经过光纤延迟线7的激光又经过高速光纤光开关6之后，进入光纤模式选择耦合器8的抑制光输入端。

当激发光路与抑制光路同时开启时，光纤模式选择耦合器8的输出，即为一个高斯型飞秒光场与一个环形皮秒光场的叠加，如图4所示。

本发明实施例一种采用单波长飞秒激光输入的超分辨直写式光刻系统，包括上述组合光场生成装置、空间光学透镜组9、光刻胶样品池、高精度三维位移台10。优选地，高精度三维位移台10的三方向位移的最小步长应在纳米或亚纳米量级，以实现光刻过程中超分辨的细节构建。

上述组合光场生成装置的光纤模式选择耦合器8输出的组合光场，经过空间光学透镜组9，聚焦为环形的具有皮秒量级脉宽的抑制光斑，与高斯型的具有飞秒量级脉宽的激发光斑，叠加的组合光斑。上述组合光斑聚焦于光刻胶样品池中，光刻胶样品池搭载在高精度三维位移台10上，通过高精度三维位移台10控制光斑在光刻胶样品池中扫描。

光刻胶在未经激光照射时呈液态。该光刻胶可通过双光子效应，同时吸收两个由特定波长飞秒激光器发出的光子跃迁至特定能级，此过程会使光刻胶发生聚合反应而固化；该光刻胶也可直接吸收一个上述特定波长的光子跃迁至另一能级，此过程不会使光刻胶固化，且此过程可逆。该光刻胶必须在被上述特定波长的飞秒脉冲激光照射，才可能通过吸收双光子跃迁而固化，在被脉冲宽度较宽的激光如皮秒脉冲激光或连续激光照射时，只能吸收单光子而不发生固化。当该光刻胶同时被上述特定波长的飞秒激光和脉宽较宽的激光照射时，光刻胶会优先吸收单光子跃迁，使双光子吸收被极大抑制，即宏观上不会发生固化。优选地，本发明实施例采用发明专利CN202111140604.2或CN202210143737.3公开的光刻胶。

本发明通过上述组合光场生成装置所输出的环形皮秒脉冲激光叠加高斯型飞秒脉冲激光的组合焦斑，对光刻胶进行逐点扫描式加工，可使每个扫描点能够引发光刻胶固化的区域，从飞秒激光焦斑的范围，大幅缩减为皮秒激光环形焦斑的暗心范围内，实现突破衍射极限的超高精度任意三维结构加工。

本发明系统还包括计算机控制单元。通过计算机控制单元，同步控制高速光纤光开关5-6的通断与高精度三维位移台10的移动，全局控制直写式光刻过程；包括通过高速光纤光开关5-6实时控制光路通断，以及通过搭载光刻胶样品池的高精度三维位移台10，实时控制组合光场焦斑在光刻胶指定位置进行曝光；曝光后的光刻胶样品池，经显影液显影后，即可获得所需的三维结构。

此外，色散补偿模块还可由其它形式的光纤器件或空间光学器件实现。光纤器件可选择直接接入具有反常色散特性的光子晶体光纤或空心光纤等。空间光学器件可选择色散补偿光栅对或棱镜对等。

如图5所示，本发明实施例一种基于光纤器件的组合光场生成装置，采用透射式光栅对实现色散补偿模块。其中，由1×2光纤耦合器2分光后进入激发光路的激光，首先通过一个光纤准直镜11准直为空间光束，该光束经反射镜12反射后，依次通过透射式光栅对14、15，再经中空屋脊型反射镜16反射，之后再一次通过透射式光栅对15、14，经反射镜13反射后，进入光纤耦合器17，被重新耦合进光纤光路。本实施例方案除色散补偿模块外其它所有器件均与上述组合光场生成装置实施例的方案一致。

Claims (10)

1.一种基于光纤器件的组合光场生成装置，其特征在于，包括飞秒激光器、1×2光纤耦合器、色散补偿模块、光纤延迟线、光纤光开关、光纤模式选择耦合器；所述光纤模式选择耦合器设有激发光输入端、抑制光输入端和输出端口；

由飞秒激光器发出的激光，经由1×2光纤耦合器后，分为激发光路和抑制光路；激发光路激光经过色散补偿模块、光纤光开关之后，进入光纤模式选择耦合器的激发光输入端；抑制光路激光经过光纤延迟线、光纤光开关之后，进入光纤模式选择耦合器的抑制光输入端；

光纤模式选择耦合器采用光纤基模形式光场作为输入，从抑制光输入端输入的光场对应输出为具有环形光场分布形式的涡旋光；从激发光输入端输入的光场对应输出为普通高斯型光场；光纤模式选择耦合器输出端口输出组合光场。

2.根据权利要求1所述基于光纤器件的组合光场生成装置，其特征在于，装置中的各个元器件对于输入的飞秒激光均具有色散效应，当飞秒激光经过这些器件时，会因色散发生不同程度的脉冲展宽；所述色散补偿模块由光纤器件或空间光学器件实现，具有和其它光纤器件和空间光学器件相反的色散特性，使其所在光路中总色散量抵消为零，所以输入该光路的飞秒激光在最终输出时仍具有飞秒量级的脉冲宽度。

3.根据权利要求2所述基于光纤器件的组合光场生成装置，其特征在于，所述色散补偿模块由光纤环形器和啁啾光纤光栅实现；激光经光纤环形器的第一端口入射后，首先由第二端口出射并进入啁啾光纤光栅，激光被啁啾光纤光栅反射后又通过第二端口入射光纤环形器，最终从光纤环形器的第三端口出射。

4.根据权利要求2所述基于光纤器件的组合光场生成装置，其特征在于，所述色散补偿模块由透射式光栅对实现；激光首先通过光纤准直镜准直为空间光束，经反射镜反射后，依次通过透射式光栅对，再经中空屋脊型反射镜反射，之后再一次通过透射式光栅对，经反射镜反射后，进入光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述基于光纤器件的组合光场生成装置，其特征在于，所述光纤延迟线为一段对输入激光具有正向色散效应的单模光纤，使其中通过的激光脉冲宽度从飞秒量级展宽至皮秒量级，并通过光程匹配使激发光路中的飞秒脉冲和抑制光路中的皮秒脉冲，同步输入光纤模式选择耦合器。

6.根据权利要求1所述基于光纤器件的组合光场生成装置，其特征在于，所述光纤光开关用于控制光纤光路的通断。

7.根据权利要求1所述基于光纤器件的组合光场生成装置，其特征在于，光纤光开关对于飞秒激光器输出的激光的消光比不小于50dB，光纤光开关的最大调制频率不低于1MHz。

8.一种采用单波长飞秒激光输入的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述组合光场生成装置、空间光学透镜组、光刻胶、三维位移台；所述空间光学透镜组将光纤光路输出的光场汇聚到接近衍射极限的尺度；以便配合所述光刻胶的双光子聚合效应以及单光子抑制效应实现超分辨的直写式光刻；所述三维位移台控制搭载在其上的光刻胶样品池的x,y,z三方向的精密位移，配合光纤光开关，可使激光焦斑在光刻胶样品池中的指定空间位置产生并引发该位置光刻胶的固化。

9.根据权利要求8所述采用单波长飞秒激光输入的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，所述光刻胶的初始状态为液态，当被特定波长的激光照射时，根据激光脉冲宽度的不同，会发生不同的反应；其中，所述特定波长指可使光刻胶发生能级跃迁的波长：

当光刻胶仅被飞秒脉冲激光照射，且光功率满足发生双光子吸收的条件时，并引发曝光区域内的光刻胶固化；

当光刻胶被皮秒或更宽脉冲的激光照射时，光刻胶会吸收单光子发生跃迁，该过程不会引发光刻胶固化且可逆；

当光刻胶同时被皮秒脉冲激光和飞秒脉冲激光照射时，将优先发生单光子吸收，双光子吸收会被极大抑制，不会引发光刻胶固化。

10.根据权利要求8所述采用单波长飞秒激光输入的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，还包括计算机控制单元，用于控制位移台的位移，和控制光刻过程中每一时刻光纤光路的通断，实现光刻过程中的全局控制。

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