CN117055302A - 一种激光直写装置及激光直写方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光直写装置及激光直写方法，包括线光输出单元、第一反射镜、转动单元和调制面，所述线光输出单元对所述第一反射镜入射线形光，所述第一反射镜将线形光反射至所述调制面上，所述第一反射镜通过所述转动单元相对所述线光输出单元和所述调制面转动设置。本发明采用线形光对光刻胶进行直写，仅需要第一反射镜依靠转动单元在单个平面内转动即可，既不需要平移，也不需要在其他平面内转动，第一反射镜所需活动自由度明显下降，对应的线形光在调制面上仅需要在一个维度上进行移动扫描即可，降低了直写过程所需自由度，简化了直写过程，直写效率较高。同时扫描过程的简化也使激光直写装置获得了简化，有利于整个激光直写装置的小型化。

Description

一种激光直写装置及激光直写方法

技术领域

本发明涉及激光直写领域，特别是涉及一种激光直写装置及激光直写方法。

背景技术

激光直写技术具备无掩模、真三维的加工优势，该技术广泛应用于硅光芯片、新型传感器、人工智能、新型材料等前沿领域。

激光直写技术一般采用单光束扫描，其加工效率难以满足产业化需求，同时单光束需要在二维平面内进行移动，即需要两个移动自由度，才能实现完整的刻写，由此也造成了直写设备的结构复杂。

发明内容

基于此，有必要针对直写设备加工速度慢、结构复杂的问题，提供一种激光直写装置及激光直写方法。

一种激光直写装置，包括线光输出单元、第一反射镜、转动单元和调制面，所述线光输出单元对所述第一反射镜入射线形光，所述第一反射镜将线形光反射至所述调制面上，所述第一反射镜通过所述转动单元相对所述线光输出单元和所述调制面转动设置。

本发明所述线光输出单元包括光源、第一柱透镜和第二柱透镜；

所述光源为点光源或者面光源；

所述第一柱透镜具有第一柱面和第一平面，所述第一平面的法向为第一方向，所述光源和所述第一柱面在第一方向上相对；

所述第二柱透镜具有第二柱面和第二平面，所述第一柱面的轴线和所述第二柱面的轴线平行，且所述第一平面和所述第二平面在第一方向上相对设置，所述第一柱透镜的焦点和所述第二柱透镜的焦点重合，以使所述第二柱面出射线形光。

本发明所述调制面包括至少两个沿第二方向并排设置的微镜线阵，所述微镜线阵包括至少两个沿第三方向间隔设置的微镜，第二方向和第三方向垂直，所述转动单元控制所述线形光在第二方向上扫描。

本发明所述微镜线阵的长度不大于所述第一反射镜反射的线形光的长度。

本发明所述激光直写装置还包括位移台，所述微镜具有第一角度状态和第二角度状态，所述线形光通过处于第一角度状态的所述微镜射向所述位移台，处于第二角度状态的所述微镜将所述线形光反射至所述位移台外。

本发明所述调制面还包括基板，所述微镜转动设置在所述基板上，以在第一角度状态和第二角度状态之间切换。

本发明所述激光直写装置还包括第一透镜，所述第一透镜位于所述第一反射镜和所述基板之间，所述基板处线形光和所述基板之间的夹角为定值。

本发明所述微镜尺寸为d，所述线形光的波长为λ，所述微镜和所述基板之间夹角为θ，所述线形光在所述微镜处的入射方向和衍射方向夹角为α，m阶衍射角为β；

当所述微镜处于第一角度状态时，满足α+β＝2θ，sinα+sinβ＝mλ/d，m为整数。

本发明当所述微镜处于第一角度状态时，α＝2θ，当所述微镜处于第二角度状态时，2α＝β＝90°。

一种激光直写方法，基于激光直写装置，所述转动单元控制所述第一反射镜转动，以使所述第一反射镜反射的线形光对所述调制面进行扫描。

本发明的有益效果为：

本发明采用线形光对光刻胶进行直写，仅需要第一反射镜依靠转动单元在单个平面内转动即可，既不需要平移，也不需要在其他平面内转动，第一反射镜所需活动自由度明显下降，对应的线形光在调制面上仅需要在一个维度上进行移动扫描即可，降低了直写过程所需自由度，简化了直写过程，直写效率较高。同时扫描过程的简化也使激光直写装置获得了简化，有利于整个激光直写装置的小型化。

附图说明

图1为本发明实施例中激光直写装置的光路图；

图2为本发明实施例中调制面的扫描过程图；

图3为本发明实施例中线光输出单元的光路图(点光源)；

图4为本发明实施例中线光输出单元的光路图(面光源)；

图5为本发明实施例中调制面的主视结构示意图；

图6为本发明实施例中调制面的的微镜状态分布图；

图7为本发明实施例中光刻胶表面刻写图案。

附图标记：

1、光源；2、第一柱透镜；21、第一柱面；22、第一平面；3、第二柱透镜；31、第二柱面；32、第二平面；4、第二反射镜；5、第一反射镜；6、第一透镜；7、调制面；71、线形光斑；72、基板；73、微镜；8、第二透镜；9、二项色镜；10、物镜；11、位移台；12、LED；13、第三透镜；14、成像单元。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

实施例：

参见图1，本实施例提供了一种激光直写装置，包括线光输出单元、第一反射镜5、第二反射镜4、二项色镜9、物镜10、位移台11、LED12、第三透镜13、成像单元14、转动单元和调制面7。

其中线光输出单元发出线形光，其首先入射至第二反射镜4处，经第二反射镜4反射至第一反射镜5，以此实现线光输出单元对第一反射镜5入射线形光。第一反射镜5将入射的线形光反射至调制面7上进行调制，以使线形光携带直写图案信息，后续依次经过二项色镜9和物镜10，到达位移台11上的光刻胶处，使得光刻胶光固化，形成目标直写图案。其中位移台11上的光刻胶位于物镜10的焦平面内。LED12则从位移台11下方照射，其照射的光依次经过物镜10、二项色镜9和第三透镜13，最终聚焦至成像单元14处成像，从而观测光刻胶的直写状况。常见的，成像单元14可以为CCD相机。

本实施例中线光输出单元、第二反射镜4和调制面7之间的相对位置关系固定，其中第一反射镜5能够通过转动单元在线光输出单元和调制面7之间，更具体的在第二反射镜4和调制面7之间，实现定轴转动。因此第一反射镜5能够相对第二反射镜4进行转动，相应的第一反射镜5上线形光的入射角度也会随第一反射镜5的转动发生变化，最终线形光到达调制面7上的位置也会发生变化。

参见图2，本实施例中调制面7为长方形，其长度方向为第二方向，其宽度方向为第三方向，故第二方向和第三方向垂直。第一反射镜5将线形光反射至调制面7上形成单根线形光斑71，线形光斑71沿第三方向延伸。随着第一反射镜5的转动，能够使线形光斑71沿着第二方向进行移动，从而逐渐实现对整个调制面7的扫描。线形光斑71在调制面7上不同位置，可以携带不同的直写图案信息射向光刻胶的对应位置形成对应直写图案。待线形光斑71在第二方向完成对整个调制面7的扫描过程，则光刻胶上的图案也刻写完成。

本实施例中采用线形光对光刻胶进行直写，仅需要在第二方向上移动扫描即可，而不需要在第三方向上移动，因此直写效率较高。由此第一反射镜5仅需要依靠转动单元在单个平面内转动即可，既不需要平移，也不需要在其他平面内转动，第一反射镜5所需活动自由度明显下降，以此简化了转动单元的结构，从而有利于整体上简化激光直写装置的结构。其中第一反射镜5和转动单元可以组合形成振镜。

线光输出单元为了能够输出线形光，具体包括光源1、第一柱透镜2和第二柱透镜3。其中公知的，第一柱透镜2具有第一柱面21和第一平面22，第二柱透镜3具有第二柱面31和第二平面32。其中第一平面22的法向为第一方向，第一平面22和第二平面32在第一方向上相对设置并保持平行，且第一柱面21的轴线和第二柱面31的轴线平行，从而使得第一柱透镜2的焦点和第二柱透镜3的焦点重合。

参见图3，其中光源1和第一柱面21在第一方向上相对，若光源1为点光源，则光源1对第一柱面21入射圆形光(直径1mm)，入射时其x方向光线长度和y方向光线长度相等，但是在第一柱透镜2(焦距25mm)和第二柱透镜3(焦距300mm)的配合作用下，其x方向光线长度保持不变，而y方向光线长度被极大增加，由此点状光被拉伸成了线形光(尺寸为1mm×12mm)。

参见图4，若光源1为面光源，并将前述第一柱透镜2和第二柱透镜3转动90°后，则入射至第一柱面21的面状光的x方向光线长度和y方向光线长度相等或者相近，经过第一柱透镜2和第二柱透镜3的调制后，其y方向光线长度不变，而x方向光线长度急剧收窄，由此面状光被收窄为线形光。

由此可以看出，第一柱透镜2和第二柱透镜3的配合调制作用，可以保证第二柱面31出射的线性光中x方向光线长度和y方向光线长度中的一者相较调制前保持不变，以此增加线形光的x方向光线长度和y方向光线长度之间比值的可控性，例如本实施例中圆形光被调制成线形光后，其x方向光线长度不变，从而确保了调制面7处线形光斑71在第二方向上具有足够的宽度，以确保线形光斑71能够覆盖调制面7的最小的调制单元。

本实施例中调制面7包括至少两个沿第二方向并排设置的微镜线阵，微镜线阵包括至少两个沿第三方向间隔设置的微镜73，本实施例中微镜73即调制面7的最小的调制单元。其中调制面7还包括基板72，所有微镜73均转动设置在基板72上。

调制面7处线形光斑71在第三方向上的长度需要大于或等于微镜线阵的长度，且线形光斑71在第二方向上的宽度需要大于微镜73的宽度，以此保证线形光能够完整接受微镜73的调制，并且线形光不需要在第三方向上移动，仅在第二方向上进行移动就能获得所有微镜73的调制。

微镜73具有第一角度状态和第二角度状态，微镜73通过在基板72上转动，从而在第一角度状态和第二角度状态之间切换。

其中线形光经过处于第一角度状态的微镜73反射后射向位移台11，从而进行光刻胶刻写，得到目标图案。但是线形光经过处于第二角度状态的微镜73反射后无法射到位移台11上，而是射到位移台11外，因此光刻胶上部分位置不会产生光固化，这些位置对应于处于第二角度状态的微镜73在基板72上的位置。参见图6-7，容易理解的是，调制面7处的线形光斑71在沿第二方向进行移动扫描的过程中，每经过一个微镜线阵，能够依据该微镜线阵中每个微镜73所处的角度状态，获得该微镜线阵的调制信息，从而在光刻胶上产生一个线状图案。当线形光斑71对所有微镜线阵都扫描完成后，光刻胶上所有线状图案即拼接形成了完整的目标刻写图案。

对应的，本实施例提供了一种激光直写方法，转动单元控制第一反射镜5转动，以使第一反射镜5反射的线形光对调制面7上的微镜线阵依次进行扫描，最终使光刻胶上形成完整的目标刻写图案。

微镜73的形状不限，可以为圆形、正方形、长方形等形状，在本实施例中其为正方形，且每个微镜73的形状和尺寸均相等。微镜73的尺寸，即对应本实施例中微镜73的边长，为d，线形光的波长为λ。微镜73和基板72之间夹角为θ，其中微镜73具有第一法线，第一法线始终与微镜73保持垂直，故而当微镜73在第一角度状态和第二角度状态之间转动切换的时候，第一法线同样会在基板72上发生偏转。基板72具有第二法线，第二法线与基板72垂直，相应的，第二法线和第一法线之间的夹角也为θ。

参见图5，本实施例中同一个微镜线阵内的相邻微镜73之间构成了类似闪耀光栅的结构，因此线形光入射至微镜73上后会形成衍射。其中线形光在微镜73处的入射方向和衍射方向夹角为α，m阶衍射角为β，其中衍射角β为衍射方向和第二法线之间的夹角。针对每个微镜73而言，其满足α+β＝2θ，sinα+sinβ＝mλ/d，m越接近整数，则刻写效率越高。因此至少部分处于第一角度状态的微镜73应当满足m为整数的条件。

容易理解的是，第一反射镜5若直接将线形光反射至处于第一角度状态的微镜73，则在第一反射镜5转动过程中，反射的线形光和基板72之间的夹角就会发生变化。即，线形光入射至不同微镜线阵中处于第一角度状态的微镜73处，对应的入射角会发生变化，由此导致至少部分处于第一角度状态的微镜73对线形光的调制过程无法满足m为整数的条件。

在一部分其他实施例中，上述问题可以通过活动设置基板72实现，基板72配合第一反射镜5的转动过程，以使得第一反射镜5始终以固定的入射角度将线形光入射至处于第一角度状态的微镜73上，以始终满足m为整数的条件。但是该方案中，随着基板72的活动，线形光从调制面7射向位移台11的方向始终是在发生变化的，由于调制面7和位移台11之间存在一定间距，因此上述方向的变化导致位移台11需要很大的位移量配合线形光传播方向的改变，而且位移台11的移动过程变化方式也会十分复杂，否则无法保证线形光始终能够照射至光刻胶上的对应位置。

为了解决这一问题，本实施例中激光直写装置还包括第一透镜6，第一透镜6位于第一反射镜5和基板72之间，从而对第一反射镜5反射至基板72处的线形光的传播方向进行校正，使其始终沿固定方式传播至基板72处，以此确保线形光入射至不同微镜线阵处时，处于第一角度状态的微镜73处的入射角始终不会发生变化，避免了基板72位置的调整，同时也允许了所有处于第一角度状态的微镜73在进行线形光衍射过程中满足m为整数的条件。基板72无需活动的情况下，第一反射镜5转动过程中处于第一角度状态的微镜73处入射角不变，由此也使得不同微镜线阵中，微镜73只要处于第一角度状态，则线形光在微镜73处的反射方向始终不会发生变化，因此位移台11的移动过程获得了极大简化。基板72只要选取合适的设置角度，就能保证处于第一角度状态的微镜73始终将线形光以垂直于位移台11的方向射向位移台11，也就避免了位移台11进行长距离位移的需求。

优选的，本实施例中激光直写装置还包括第二透镜8。第二透镜8位于调制面7和二项色镜9之间，以使由第一角度状态下微镜73反射出的线形光始终射向物镜10。

本实施例中第一透镜6和第二透镜8均为圆形透镜，以保证线形光在x方向长度和y方向长度的比值始终不变，以保证线形光不会重新变成圆形光或者其他形状的光。

微镜73处线形光的入射角和反射角均为α-θ+β，在处于第一角度状态的微镜73处，基于α+β＝2θ，控制α＝2θ，以使β＝0，此时衍射方向和反射方向重合，从而提升刻写效果。此时线形光沿第二法线的方向垂直射向位移台11。

当微镜73处于第二角度状态时，入射角和反射角均为α+θ-β，此时反射方向和第二法线之间的夹角为α+2θ-β，基于α+β＝2θ可知，反射方向和第二法线之间的夹角为2α，衍射方向和第二法线之间的夹角为β，只要使2α＝β＝90°，就能使衍射方向和反射方向均垂直于第二法线，也就不会射向位移台11，由此避免处于第二角度状态的微镜73将线形光射向光刻胶。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光直写装置，其特征在于，包括线光输出单元、第一反射镜、转动单元和调制面，所述线光输出单元对所述第一反射镜入射线形光，所述第一反射镜将线形光反射至所述调制面上，所述第一反射镜通过所述转动单元相对所述线光输出单元和所述调制面转动设置。

2.根据权利要求1所述的激光直写装置，其特征在于，所述线光输出单元包括光源、第一柱透镜和第二柱透镜；

所述光源为点光源或者面光源；

所述第一柱透镜具有第一柱面和第一平面，所述第一平面的法向为第一方向，所述光源和所述第一柱面在第一方向上相对；

所述第二柱透镜具有第二柱面和第二平面，所述第一柱面的轴线和所述第二柱面的轴线平行，且所述第一平面和所述第二平面在第一方向上相对设置，所述第一柱透镜的焦点和所述第二柱透镜的焦点重合，以使所述第二柱面出射线形光。

3.根据权利要求1所述的激光直写装置，其特征在于，所述调制面包括至少两个沿第二方向并排设置的微镜线阵，所述微镜线阵包括至少两个沿第三方向间隔设置的微镜，第二方向和第三方向垂直，所述转动单元控制所述线形光在第二方向上扫描。

4.根据权利要求3所述的激光直写装置，其特征在于，所述微镜线阵的长度不大于所述第一反射镜反射的线形光的长度。

5.根据权利要求3所述的激光直写装置，其特征在于，所述激光直写装置还包括位移台，所述微镜具有第一角度状态和第二角度状态，所述线形光通过处于第一角度状态的所述微镜射向所述位移台，处于第二角度状态的所述微镜将所述线形光反射至所述位移台外。

6.根据权利要求5所述的激光直写装置，其特征在于，所述调制面还包括基板，所述微镜转动设置在所述基板上，以在第一角度状态和第二角度状态之间切换。

7.根据权利要求6所述的激光直写装置，其特征在于，所述激光直写装置还包括第一透镜，所述第一透镜位于所述第一反射镜和所述基板之间，所述基板处线形光和所述基板之间的夹角为定值。

8.根据权利要求7所述的激光直写装置，其特征在于，所述微镜尺寸为d，所述线形光的波长为λ，所述微镜和所述基板之间夹角为θ，所述线形光在所述微镜处的入射方向和衍射方向夹角为α，m阶衍射角为β；

当所述微镜处于第一角度状态时，满足α+β＝2θ，sinα+sinβ＝mλ/d，m为整数。

9.根据权利要求8所述的激光直写装置，其特征在于，当所述微镜处于第一角度状态时，α＝2θ，当所述微镜处于第二角度状态时，2α＝β＝90°。

10.一种激光直写方法，其特征在于，基于如权利要求1-9任一权利要求所述的激光直写装置，所述转动单元控制所述第一反射镜转动，以使所述第一反射镜反射的线形光对所述调制面进行扫描。