CN104111590A - 基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置 - Google Patents

Abstract

一种基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置，主要包括：405纳米蓝光刻写光路、650纳米红光自聚焦伺服光路和控制计算机及相关控制反馈***。其中405纳米蓝光刻写光路主要包括圆偏振镜片组、1/2波片、电控旋转台、空间光调制器、共焦透镜组、二向色性分束镜、聚焦物镜、自聚焦伺服驱动器、电控二维移动平台等；650纳米红光自聚焦伺服光路主要包括红光收集透镜、柱面镜、四象限探测器。其特点在于在传统的激光直写光路聚焦物镜入射光瞳处加入复合涡旋相位调制，从而在物镜聚焦后场实现双瓣聚焦光斑强度分布。这种双瓣聚焦光斑可以在中等数值孔径聚焦下实现百纳米量级横向分辨率，同时拥有中等数值孔径聚焦下微米级轴向焦深。

Description

基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置

技术领域

本发明涉及激光直写装置，特别是一种基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置。

背景技术

物镜的聚焦光场三维空间分布可以说是激光直写技术的核心。我们知道，对常规的光学***而言，其分辨率R和焦深DOF与***成像透镜的数值孔径NA紧密相关的，即R∝λ/NA，而成像***的焦深DOF∝λ/NA²。在波长一定的情况下，一方面，要提高激光直写的分辨本领，就必须提高***的数值孔径NA。然而，数值孔径的提高，就意味着***的焦深的急剧减小。焦深的急剧减小，就对自聚焦伺服***提出了严峻的考验。另一个提高***分辨率的途径是减小工作波长。然而，工作波长的减小，尤其到深紫外波段，由于没有合适的光学材料，只好采用反射式光路结构。反射式的光路对***的像差矫正极为困难。如今，商业光刻技术中，波长已经到了193nm，基本接近技术极限。于是，一些实现超越衍射极限的超分辨技术先后被提出，尤其是一些远场超分辨技术。更进一步，在实现横向超分辨同时，依然要求保证较大的轴向焦深。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置，该装置通过在常规激光直写光路聚焦物镜的入射光瞳处加入复合涡旋相位调制，可以在聚焦物镜的后场产生双瓣聚焦光斑，这可以使激光直写***实现百纳米级横向分辨率，同时拥有相对低数值孔径聚焦下的焦深，因而对激光直写***性能提升有重要实用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置，构成包括405纳米蓝光半导体激光器组成光路、650纳米红光半导体激光器组成光路和控制计算机及相关控制反馈***；沿所述的405纳米蓝光半导体激光器输出的光路上依次是第一准直扩束透镜、圆偏振镜片组、1/2波片、第一分束镜、空间光调制器、第一透镜、反射镜、第二透镜、二向色性分束镜、第二分束镜、孔径光阑、聚焦物镜、自聚焦伺服驱动器、光刻样品和电控二维移动平台；沿所述的650纳米红光半导体激光器输出光路方向依次是第二准直扩束透镜和所述的第二分束镜，入射到所述光刻样品上的反射光沿原路返回，在二向色性分束镜的透射红光方向依次是红光收集透镜、柱面镜、四象限探测器；所述的圆偏振镜片组包括起偏器和1/4波片；共焦透镜组包括第一透镜和第二透镜；反射镜在共焦透镜组的第一透镜的前焦面及第二透镜的后焦面位置处，所述的孔径光阑在第二透镜的前焦面上，且第二透镜的前焦面与聚焦物镜的后焦面重合；所述的1/2波片是固定在电控旋转台上，其特点是在所述的第一分束镜的反射光方向有空间光调制器，所述的空间光调制器与共焦透镜组的第一透镜的后焦面重合，所述的控制计算机与所述的电控旋转台、空间光调制器、四象限探测器、自聚焦伺服驱动器和电控二维移动平台控制相连。

所述的405纳米蓝光半导体激光器和650纳米红光半导体激光器均为光纤耦合输出单模激光器。

所述的第一分束镜和第二分束镜均实现50％反射、50％透射。

所述的二向色性分束镜对405纳米激光呈高效率反射，对650纳米红光呈高效率透射。

所述的电控旋转台的旋转使所述的1/2波片的主光轴方向在0～2π范围内调节。

所述空间光调制器是纯相位调制，所述的空间光调制器在入射光中加载的相位分布为复合涡旋相位分布；所述的复合涡旋相位分布的透过率函数满足关系式

其中，为归一化极坐标；为相邻环区初始延迟相位差；r_n为第n个环区的半径，n＝1,2,…,N；N为环区的总数目；circ(r)为圆孔函数：

$\mathrm{circ}\left(\frac{r}{r_n}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& r\≤r_n\\ 0& r>r_n\end{array}\right.,n=\mathrm{1,2},...,N,$

所述的复合涡旋相位分布是多环区结构，并且各环区面积相等，即各环区半径r_n满足：且等面积环区总数N至少大于或等于10。

通过调节所述的空间光调制器改变复合涡旋相邻环区初始相位差和调节电控旋转台改变通过的线偏振光的偏振方向，确保所述的聚焦物镜聚焦的双瓣聚焦光斑的暗纹方向与入射线偏振光的偏振方向一致。

所述的电控二维移动平台相对聚焦物镜的线性扫描方向与双瓣聚焦光斑暗纹的方向一致，同时所述的线性扫描方向与入射线偏振光的偏振方向一致。

本发明的技术效果

本发明通过在常规激光直写光路聚焦物镜的入射光瞳出通过空间光调制器方式加入复合涡旋相位调制，从而在聚焦物镜的后场实现双瓣聚焦光斑。这种双瓣聚焦光斑可以在中等数值孔径聚焦下实现百纳米量级分辨率、并且拥有微米级焦深。

本发明采用较低数值孔径物镜聚焦，可以降低聚焦***对像差矫正的苛刻要求。本发明提出的这种双瓣聚焦光斑的激光直写技术，其横向分辨率由两瓣之间的暗纹决定，而这种暗纹是由涡旋相位奇点产生，因而其横向分辨率对像差不敏感。也就是说，在实际中由于种种原因像差不能得到完美矫正，依然不会带来***分辨率的急剧退化。从另一个方面来讲，如果采用高数值孔径物镜，横向分辨率甚至可以达到一百纳米水平，这为一些特殊需求的纳米光学元器件加工提供激光直写技术方案。这种可以实现百纳米量级横向分辨率、大焦深的激光直写技术一方面可以实现高的横向分辨率，同时也为高速、大面积激光直写提供了一种实现途径。

附图说明

图1是本发明聚焦入射光瞳内复合涡旋相位分布示意图。

图2是本发明基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写***光路图：

图3是复合涡旋产生的双瓣聚焦光斑横向截面二维强度等高分布图。

图4是复合涡旋产生的双瓣聚焦光斑轴向截面二维强度等高分布图。

图5是复合涡旋产生的双瓣聚焦光斑沿y轴方向的光场强度分布。

图6是不同相邻环区初始延迟相位差下的复合涡旋相位分布及对应聚焦光斑横向截面二维强度等高分布图。

具体实施方式

本发明核心思想在常规激光直写装置中引入复合涡旋相位分布，所述复合涡旋相位透过率函数可表示为：

其中，

$\mathrm{circ}\left(\frac{r}{r_n}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& r\≤r_n\\ 0& r>r_n\end{array}\right.---\left(2\right)$

r_n满足，

${r_n}^2=\frac{n}{N},n=\mathrm{1,2},...,N---\left(3\right)$

为相邻环区初始延迟相位差，N为等面积环区的总数目。图1给出了本发明提出的典型复合涡旋相位分布，图中标尺单位为弧度。从图中可以看出，所有环带区域均为同心分布，且所有环带面积相等；每两两相邻环带区域初始相位相差π(即180度)，且每两两相邻环带区域从内到外的相位分布依次为顺时针从0沿方位角方向均匀递增到2π(即360度，约6.28弧度)和逆时针从0沿方位角方向均匀递增到2π交替变化。图2是本发明基于这种复合涡旋相位的双瓣聚焦光斑激光直写典型***。405蓝光半导体激光器1发出的基模激光束，通过第一准直扩束透镜2扩束之后，依次经过起偏器301、1/4波片302变成圆偏振光，该圆偏振光经过1/2波片4变成线偏光。所述的1/2波片4固定在电控旋转台5上，通过调节电控转台5的旋转角度，可以改变通过1/2波片4的线偏振光的偏振取向。该线偏振光经过第一分束镜6，反射到空间光调制器7的调制面上，所述的空间光调制器7在反射光束加载如图1所示的复合涡旋相位。经过空间光调制器7调制后的反射光束通过第一分束镜6之后，通过共焦透镜组8，然后依次经过二向色性分束镜10、第二分束镜11、孔径光阑12，投影到聚焦物镜13的入射光瞳面上。其中，空间光调制器7放置在共焦透镜组8的第一透镜801的前焦面上，共焦透镜组8的第一透镜801的后焦面和第二透镜802的前焦面位置重合，该重合位置处放置反射镜9。聚焦物镜13将刻写蓝光聚焦到放置在电控二维移动平台16上的光刻样品15上实现曝光。从650纳米红光半导体激光器17出射的激光经过第二准直扩束透镜18，然后通过第二分束镜11反射到聚焦物镜13光瞳内。聚焦到光刻样品15表面的红光经过表面反射依次通过聚焦物镜13、第二分光镜11、二向色性分光镜10，经过红光收集透镜19聚焦通过柱面镜20成像在四象限探测器21的探测面上，通过柱面镜20的引入的像散，通过四象限探测器21的四象限差值信号经过控制计算机22反馈给聚焦伺服驱动器14实现自聚焦伺服。

此外，通过调节相邻环区初始相位差我们可以调节双瓣聚焦光斑的沿径向的不同取向，并通过电控旋转台5相应调节线偏振光偏振方向从而保证双瓣聚焦光斑的暗纹方向与线偏振光的偏振方向一致。并且，保证所述的双瓣聚焦光斑的暗纹方向、线偏振光的偏振方向与电控二维移动平台16的线性扫描方向一致。通过所述的电控二维移动平台16的线性扫描，即可实现沿着双瓣聚焦光斑的暗纹方向百纳米量级分辨的光刻线条。

另一方面，我们知道高数值孔径的物镜对***像差矫正要求会比低数值孔径高得多，这主要是因为高数值孔径物镜对***的像差更敏感。本发明可以通过中等数值孔径NA＝0.6的聚焦物镜替代NA＝0.9的物镜，从而避免对***像差矫正的苛刻要求。此外，因为本发明提出的这种基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写技术通过引入的复合涡旋相位实现的聚焦双瓣之间的暗纹实现光刻分辨，因为其本身的相位奇点的特性，这种双瓣聚焦光斑中间的暗纹实现的分辨率对***的像差不敏感。

实施例

以下以NA＝0.6的聚焦透镜为例，提出一种复合涡旋实现的双瓣聚焦光斑激光直写***的具体实施方案。

我们这里选取NA＝0.6聚焦透镜的入射孔径为6mm，物镜后焦面上的孔径光阑孔径为6mm。空间光调制器选用纯位相调制方式工作的Holoeye PlutoVIS(单像素8μm，总像素数为1920×1080)空间光调制器。自聚焦伺服驱动器14可选为轴向压电陶瓷纳米驱动器，线性范围为2微米，闭环分辨率0.2纳米。公式(1)中的复合涡旋相位等面积区域总数目选为N＝10。当相邻环区初始相位差为π，此时聚焦物镜的入射孔径内的相位分布如图1所示。我们选定采用的共焦透镜组8第一透镜(801)及第二透镜(802)焦距分别为f₁＝120mm和f₂＝90mm。根据衍射积分理论，我们可以计算出线偏振光入射下聚焦后场的光场分布。其中三维直角坐标***选取规则如下：坐标原点选为聚焦物镜的几何焦点处，z轴沿光轴方向，且正方向沿光束传播方向，x轴和y轴在几何焦平面内，且与z轴满足右手规则。图3和图4分别给出了NA＝0.6聚焦下的复合涡旋相位产生的双瓣聚焦光斑横向二维强度等高分布图及沿y轴方向的一维光场强度分布，其中入射光场为线偏振TM方式入射，即线偏振方向沿图中x方向。图中，x轴和y轴坐标单位为微米。从图3中可以清楚地看出，通过我们所设计的复合涡旋相位调制，可以实现双瓣的聚焦光斑，即原先聚焦光斑中心会产生一个强度为零的暗纹。从图4中可以明显看出，双瓣聚焦光斑之间的暗纹半高全宽为250nm，与常规NA＝0.9紧聚焦下的聚焦光斑分辨率相当。通过移动平台实现样品相对双瓣聚焦光斑的暗纹方向沿偏振方向的线性扫描，通过本激光直写***即可实现百纳米量级光刻线宽的刻线。图5给出了双瓣聚焦光斑轴向截面二维强度等高分布图，y轴和z轴坐标单位为微米。从中可以看出焦深约为1.8微米，约为常规NA＝0.9聚焦下焦深的3倍。通过调节相邻区域初始相位延迟，并相应调节入射线偏光的偏振取向，我们即可以实现扫描方向的调整。图6给出了不同初始相位差对应的横向截面上的二维光场强度等高分布图。从中我们可以清楚地看出，随着初始相位差的改变，双瓣聚焦光斑之间暗纹的取向在改变。于是，通过调节初始相位差和入射光的线偏振方向，可以实现光刻扫描方向的任意调节。

综上所述，本发明基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置，可以在中等数值孔径物镜聚焦的条件下实现高数值孔径聚焦的横向分辨率，并且拥有中等数值孔径聚焦的长焦深。另外，通过中等数值孔径物镜替代高数值孔径物镜，可以大大减小对光路像差矫正的苛刻要求。因而，这种基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置在高速、大面积、亚波长激光直写，尤其是大面积的亚波长光栅直写加工上有重要的实用价值。

以上所述基于复合涡旋双瓣聚焦的激光直写装置仅表达了本发明的一种具体实施方式，并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以对本专利所提出的具体实施细节和代表性装置做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置，构成包括405纳米蓝光半导体激光器(1)组成光路、650纳米红光半导体激光器(17)组成光路和控制计算机(22)及相关控制反馈***；沿所述的405纳米蓝光半导体激光器(1)输出的光路上依次是第一准直扩束透镜(2)、圆偏振镜片组(3)、1/2波片(4)、第一分束镜(6)、空间光调制器(7)、第一透镜(801)、反射镜(9)、第二透镜(802)、二向色性分束镜(10)、第二分束镜(11)、孔径光阑(12)、聚焦物镜(13)、自聚焦伺服驱动器(14)、光刻样品(15)和电控二维移动平台(16)；沿所述的650纳米红光半导体激光器(17)输出光路方向依次是第二准直扩束透镜(18)和所述的第二分束镜(11)，入射到所述光刻样品(15)上的反射光沿原路返回，在二向色性分束镜(10)的透射红光方向依次是红光收集透镜(19)、柱面镜(20)、四象限探测器(21)；所述的圆偏振镜片组(3)包括起偏器(301)和1/4波片(302)；共焦透镜组(8)包括第一透镜(801)和第二透镜(802)；反射镜(9)在共焦透镜组(8)的第一透镜(801)的前焦面及第二透镜(802)的后焦面位置处，所述的孔径光阑(12)在第二透镜(802)的前焦面上，且第二透镜(802)的前焦面与聚焦物镜(13)的后焦面重合；所述的1/2波片(4)是固定在电控旋转台(5)上，其特征是在所述的第一分束镜(6)的反射光方向有空间光调制器(7)，所述的空间光调制器(7)与共焦透镜组(8)的第一透镜(801)的后焦面重合，所述的控制计算机(22)与所述的电控旋转台(5)、空间光调制器(7)、四象限探测器(21)、自聚焦伺服驱动器(14)和电控二维移动平台(16)控制相连。

2.根据权利要求1所述的基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置，其特征在于所述的405纳米蓝光半导体激光器(1)和650纳米红光半导体激光器(17)均为光纤耦合输出单模激光器。

3.根据权利要求1所述的基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置，其特征在于所述的第一分束镜(6)和第二分束镜(11)均实现50％反射、50％透射。

4.根据权利要求1所述的基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置，其特征在于所述的二向色性分束镜(10)对405纳米激光呈高效率反射，对650纳米红光呈高效率透射。

5.根据权利要求1所述的基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置，其特征在于所述的电控旋转台(5)的旋转使所述的1/2波片(4)的主光轴方向在0～2π范围内调节。

6.根据权利要求1所述的基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置，其特征在于所述空间光调制器(7)是纯相位调制，所述的空间光调制器(7)在入射光中加载的相位分布为复合涡旋相位分布；所述的复合涡旋相位分布的透过率函数满足关系式

其中，为归一化极坐标；为相邻环区初始延迟相位差；r_n为第n个环区的半径，n＝1,2,…,N；N为环区的总数目；circ(r)为圆孔函数：

$\mathrm{circ}\left(\frac{r}{r_n}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& r\≤r_n\\ 0& r>r_n\end{array}\right.,n=\mathrm{1,2},...,N,$

所述的复合涡旋相位分布是多环区结构，并且各环区面积相等，即各环区半径r_n满足：且等面积环区总数N至少大于或等于10。

7.根据权利要求1所述的基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置，其特征在于，通过调节所述的空间光调制器(7)改变复合涡旋相邻环区初始相位差和调节电控旋转台(5)改变通过的线偏振光的偏振方向，确保所述的聚焦物镜(13)聚焦的双瓣聚焦光斑的暗纹方向与入射线偏振光的偏振方向一致。

8.根据权利要求1所述的基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置，其特征在于所述的电控二维移动平台(16)相对聚焦物镜(13)的线性扫描方向与双瓣聚焦光斑暗纹的方向一致，同时所述的线性扫描方向与入射线偏振光的偏振方向一致。