CN116466547A - 一种基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统，包括激光模块，抑制模块，合束模块，样品台以及位移台；所述激光模块，用于产生多路并行的圆形实心直写光束；所述抑制路模块，用于产生多路并行的环形光束；所述合束模块，用于将每一路中圆形实心直写光束和环形光束的光斑中心重合，获得刻写光束；所述样品台布置在位移台上，用于固定待刻写的样品；所述位移台，根据预设移动路线，在刻写过程中带动样品台上的样品做水平位移；所述刻写光束聚焦到样品上，引发光刻胶聚合反应生成刻写图案。本发明还提供了一种超分辨直写式光刻方法。本发明提供的系统可以有效提高刻写过程的刻写效率和刻写分辨率。
Description
技术领域
本发明属于激光刻写技术领域，尤其涉及一种基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统及方法。
背景技术
激光直写技术作为光刻技术方式之一，不需要掩模版，直接在基片上进行图形加工，显影后在基片上生成刻写图形，具有灵活度高/加工简单等优点，被广泛应用于三维微纳器件加工领域。激光直写技术采用光学物镜进行光束聚焦，加工分辨率会受到光波衍射极限限制，直写光源波段一般采用近紫外，如使用单光子吸收的光刻胶，分辨率大部分在300-500nm，影响其在纳米级别的高精度制造应用；同时，激光直写作为扫描技术，传统激光直写采用单通道刻写，单位时间刻面积有限，限制其应用在需要大面积刻写工业领域。
专利文献CN113189846A公开了一种基于光场调控的双路并行超分辨激光直写装置，该装置的工作原理：直写激光器发出的激光依次经过直写路准直器、直写路防漂移系统、直写路能量调控模块、直写路波前调控模块进入合束模块；抑制路激光器发出的激光依次经过抑制路准直器、抑制路防漂移系统、抑制路能量调控模块、抑制路波前调控模块进入合束模块；直写光在直写路波前调控模块中被调制，抑制光在抑制路波前调控模块中被调制，两路光合束后，形成两对直写-抑制光斑组合。该装置利用空间分光从而实现双通道的刻写光路，但是基于该原理的多通道刻写光路生成非常困难，实际应用性不强。
专利文献CN109491214A公开了一种集成化超分辨激光直写装置及直写方法，该装置包括连续激光器、第一光纤耦合器、单模光纤、第二连续激光器、第二光纤耦合器、第一环形光子晶体光纤、分叉光纤、透镜组、第一二向色镜、LED光源、透镜、第二二向色镜、自动聚焦模块、第三二向色镜、第三光纤耦合器、平方率渐变光纤、纳米位移台、第二透镜、CMOS相机和控制系统，以及直写方法。该装置通过光纤器件实现单一刻写通道的构建，但文中并没有提出如何在光纤器件的基础上增加多个通管道，且简单的设备叠加只会增大原设备的复杂性和后续日常维护的难度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统，该系统可以有效提高刻写过程的刻写效率和刻写分辨率。
一种基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统，包括激发模块，抑制模块，合束模块，样品台以及位移台。
所述激发模块，用于产生多路并行的圆形实心直写光束，所述圆形实心直写光束用于激发样品发生聚合反应。
所述抑制路模块，用于产生多路并行的环形光束，所述环形光束用于抑制样品反生聚合反应。
所述合束模块，用于将每一路中并行的圆形实心直写光束和环形光束的光斑中心重合，获得刻写光束。
所述样品台布置在位移台上，用于固定待刻写的样品。
所述位移台根据预设移动路线，在刻写过程中带动样品台上的样品做水平位移。
所述刻写光束聚焦在样品上，引发光刻胶聚合反应生成刻写图案。
本发明提供的系统利用非线性光学效应的三维直写光刻技术，生成激发光使光刻胶发生聚合反应，抑制光使光刻胶发生去聚合反应，利用激发光和抑制光组合，突破光刻分辨率对衍射极限的限制。
具体的，所述激发模块包括飞秒激光器、激发路光纤分束器、激发路的光纤声光调制器、激发路光纤阵列以及激发路准直透镜。
所述飞秒激光器发射的激光经所述激发路光纤分束器分光后，依次经过所述光纤声光调制器与激发路光纤阵列生成预设形态的圆心实心光束，所述圆心实心光束通过所述激发路准直透镜进入所述合束模块中。
具体的，所述抑制路模块包括连续光激光器、抑制路光纤分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、抑制路的光纤声光调制器，抑制路光纤阵列以及抑制路准直透镜，所述声光调制器输出端和所述光纤阵列输入端错位熔接。
所述连续激光器发送的激光经所述第一偏振控制器调控和所述抑制路光纤分束器分光后，依次经过抑制路光纤声光调制器，第二偏振控制器和抑制路光纤阵列生成环形光束，所述环形光束通过所述抑制路准直透镜进入所述合束模块中。
其中，所述第一偏振控制器用于调整输入到抑制路光纤分束器的输入光偏振态。
所述第二偏振控制器用于调节光纤错位熔接激发的正交模式相位差，使抑制路光纤阵列产生包含环形光和基模光的混合光束，同时通过旋转偏振片滤去基模光。
具体的，所述抑制路光线分束器采用仅支持对应波长的单模保偏光纤，偏振控制器作用在光纤分束器输入端，控制输入光偏振态。
具体的，所述抑制路光纤阵列采用仅支持对应波长的两模光纤，并经过所述偏振控制器调节错位激发的两个正交模式间的相位差，从而在光纤阵列输出端输出环形光和基模高斯光。
具体的，所述声光调制器输出端和所述光纤阵列输入端错位熔接的具体过程如下：
单模保偏光纤和两模光纤固定在光纤熔接机中，调整光纤轴线间位移再熔接。
具体的，所述声光调制器的消光比大于40db，所述声光调制器的光纤仅支持对应波长的基模输出。
具体的，所述合束模块包括反射镜，扫描透镜，二向色镜，场镜以及显微物镜。
每一路中的圆形实心直写光束经所述反射镜折射依次透射所述二向色镜，所述扫描透镜以及所述场镜后进入所述显微物镜。
每一路中的环形光束经所述二向色镜反射依次透射所述扫描透镜以及所述场镜进入后所述显微物镜。
具体的，所述述合束模块带有四条或四条以上的光通路。
本发明还提供了一种超分辨直写光刻方法，基于上述所述的基于光纤传输的超分辨率直写式光刻系统实现，包括：
通过激发模块抑制路模块分别生成对应的圆形实心直写光束与环形光束，所述圆形实心直写光束和所述环形光束通过合束模块进行聚合生成刻写光束，所述刻写光束照射在样品台上的样品上进行特定位置的聚合反应，同时通过控制激发模块和抑制路模块的光纤声光调制器实现刻写光束强弱变化，并通过位移台带动样品台进行预设路线的移动，从而实现复杂图案刻写。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明采用将多路圆形实心直写光束与环形光束相结合，突破光斑衍射极限，从而提高刻写分辨率。
附图说明
图1为本实施例提供的一种基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统的结构示意图；
图2为本实施例提供的圆形实心直写光束与环形光束的示意图；
图中，1、飞秒激光器；2、激发路光纤分束器；3、第一光纤声光调制器；4、激发路光纤阵列；5、激发路准直透镜；6、连续激光器；7、第一偏振控制器；8、抑制路光纤分束器；9、第二光纤声光调制器；10、第二偏振控制器；11、抑制路光纤阵列；12、偏振片；13、抑制路准直透镜；14、反射镜、15二向色镜；16、扫描透镜；17、场镜；18、显微物镜；19、样品台；20、位移台；21、计算机。
具体实施方式
为了更加清楚地阐述本发明的目的，技术方案及优点，以下结合实施例以附图，对本发明进行进一步地说明。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。
如图1所示，本实施例提供的一种超分辨直写式光刻系统，包括激光模块，抑制模块，合束模块，样品台19以及位移台20。
其中，激光模块包括飞秒激光器1，激发路光纤分束器2，第一光纤声光调制器3，激发路光纤阵列4以及激发路准直透镜5。
更进一步地，由激发光通过飞秒激光器1的尾纤出射，该飞秒激光器1与激发路光纤分束器2通过熔接的方式连接，本实施例中选用四路的光纤分束器，因此激发光被分为四路光且分光比为1:1:1:1。各路光束分别通过各自光路上的第一光纤声光调制器3，而每一路的第一光纤声光调制器3均通过计算机21控制其光束振幅，频率和通断。四路激发光通过第一光纤声光调制器3调制后输入激发路光纤阵列4中，输出阵列式高斯光斑。
抑制模块包括连续激光器6，第一偏振控制器7，抑制路光纤分束器8，第二光纤声光调制器9，第二偏振控制器10，抑制路光纤阵列11和抑制路准直透镜13。
更进一步地，抑制模块采用与激发模块对称的光路进行抑制光分光，激光通过连续激光器6射入第一偏振控制器7后调整激光的输入光偏振态，再由抑制路光纤分束器8将调整后的激光进行分光处理，本实施例中采用四路光纤分束器。每一路激光通过第二光纤声光调制器9进行调制后射入第二偏振控制器10，第二光纤声光调制器9均通过计算机21控制其光束振幅，频率和通断。
第二光纤声光调制器9的输出端与抑制路光纤阵列11的输入端采用错位熔接，光纤阵列使用光纤为两模光纤，错位熔接激发两模光纤中的高阶模式，并通过第二偏振控制器10调节光纤错位熔接激发的正交高阶模的相位差，使得抑制路光纤阵列11输出包含基模光和环形光的混合光束，并结合偏振片12滤去混合光束中的基模光，获得对应的环形光束。
此外，实际情况中激发模块和抑制模块不限于四光路，可以通过同时增加或减少光纤分束器的通道数量，光纤声光调制器数量和光纤阵列通道数量，从而实现任意通道数量的并行式刻写。
合束模块包括反射镜14，二向色镜15，扫描透镜16，场镜17以及显微物镜18。
每一路中的圆形实心直写光束经反射镜14折射后，投射至二向色镜15，扫描透镜16，场景17以及显微物镜18。
每一路中的环形光束经二向色镜反射15反射后，投射至扫描透镜16，场镜17以及显微物镜18。
通过合束模块聚合输出的刻写光束，照射在样品19上的样品上，利用刻写光束中的圆形实心直写光束对样品的目标位置光刻胶进行照射发生聚合反应，同时通过环形光束来抑制目标位置周围光刻胶发生聚合反应，从而实现超分辨光刻。
如图2所示，第一排光斑是圆形实心直写光束的光斑，第二排是环形光束的光斑，第三排是圆形实心直写光束和环形光束组合的光斑。
样品台19用于固定放有光刻胶的样品，该样平台19选用带有吸附功能的陶瓷台
位移台20根据计算机21设定的路线，带动样品台19上的样品进行移动，从而引发由合束模块输出的刻写光束在样品台19移动，同时通过控制光纤声光调制器通断来实时控制两种光束的使用，从而实现超分辨直写光刻工作。
本实施例提供了一种超分辨直写式光刻方法，基于上述实施例提出的超分辨直写式光刻系统。
其具体过程如下：
通过飞秒激光器发射激光至激发路光纤分束器中，生成多路并行的分光光束，该分光光束通过第一光纤声光调制器进行振幅和频率的调整后，通过激发路光纤阵列生成同等数量的圆形实心直写光束(高斯光斑)。
同时通过第一偏振控制器对连续激光器发射的激光进行偏振态调节，调节后的激光通过抑制路光纤分束器生成多路并行的分光光束，该分光光束通过第二光纤声光调制器进行振幅和频率调整后输入至抑制路光纤阵列中，并通过第二偏振控制器和偏振片对分光光束进行过滤，获得环形光束。
本发明的有益效果：本发明通过使用光纤分束器和光纤阵列，将单通道变为多通道，实现多路光同时刻写，将激光直写速度成倍提升；同时，使用单模光纤和两模光纤错位熔接，在光纤阵列输出端产生环形抑制光，实现激发-抑制光斑组合，突破光斑衍射极限，提高刻写分辨率。
Claims (10)
1.一种基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，包括激发模块，抑制模块，合束模块，样品台以及位移台；
所述激发模块，用于产生多路并行的圆形实心直写光束；
所述抑制路模块，用于产生多路并行的环形光束；
所述合束模块，用于将每一路中圆形实心直写光束和环形光束的光斑中心重合，获得刻写光束；
所述样品台布置在位移台上，用于固定待刻写的样品；
所述位移台，根据预设移动路线，在刻写过程中带动样品台上的样品做水平位移；
所述刻写光束聚焦到样品上，引发光刻胶聚合反应生成刻写图案。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，所述激发模块包括飞秒激光器、激发路光纤分束器、激发路的光纤声光调制器、激发路光纤阵列以及激发路准直透镜；
所述飞秒激光器发射的激光经所述激发路光纤分束器分光后，依次经过所述光纤声光调制器与激发路光纤阵列生成预设形态的圆心实心光束，所述圆心实心光束通过所述激发路准直透镜进入所述合束模块中。
3.根据权利要求1所述的基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，所述抑制路模块包括连续光激光器、抑制路光纤分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、抑制路的光纤声光调制器，抑制路光纤阵列以及抑制路准直透镜，所述声光调制器输出端和所述光纤阵列输入端错位熔接；
所述连续激光器发送的激光经所述第一偏振控制器调控和所述抑制路光纤分束器分光后，依次经过抑制路光纤声光调制器，第二偏振控制器和抑制路光纤阵列生成环形光束，所述环形光束通过所述抑制路准直透镜进入所述合束模块中。
4.根据权利要求3所述的基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，所述抑制路光纤分束器采用仅支持对应波长的单模保偏光纤。
5.根据权利要求3所述的基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，所述抑制路光纤阵列采用仅支持对应波长的两模光纤。
6.根据权利要求3所述的基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，所述声光调制器输出端和所述光纤阵列输入端错位熔接的具体过程如下：
单模保偏光纤和两模光纤固定在光纤熔接机中，调整光纤轴线间位移再熔接。
7.根据权利要求3或4所述的基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，所述声光调制器的消光比大于40db。
8.根据权利要求1所述的基于光纤传输的超分辨直写式光刻系统，其特征在于，所述合束模块包括反射镜，扫描透镜，二向色镜，场镜以及显微物镜；
每一路中的圆形实心直写光束经所述反射镜折射后，依次投射至所述二向色镜，所述扫描透镜，所述场镜以及所述显微物镜；
每一路中的环形光束经所述二向色镜反射后，依次投射至所述扫描透镜，所述场镜以及所述显微物镜。
9.根据权利要求1所述的基于光纤传输的超分辨率直写式光刻系统，其特征在于，所述合束模块带有四条或四条以上的光通路。
10.一种超分辨直写式光刻方法，其特征在于，基于如权利要求1～8任一项所述的基于光纤传输的超分辨率直写式光刻系统实现，包括：
通过激发模块抑制路模块分别生成对应的圆形实心直写光束与环形光束，所述圆形实心直写光束和所述环形光束通过合束模块进行聚合生成刻写光束，所述刻写光束照射在样品台上的样品上进行特定位置的聚合反应，同时通过控制激发模块和抑制路模块的光纤声光调制器实现刻写光束强弱变化，并通过位移台带动样品台进行预设路线的移动，从而实现复杂图案刻写。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |