CN112051714A - 一种实现高通量并行激光扫描直写光刻的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实现高通量并行激光扫描直写光刻的方法，包括步骤：1)生成由多束子光束组成的高通量并行刻写光束；2)独立控制高通量并行刻写光束中各子光束的通断；3)将高通量并行刻写光束聚焦在光刻样品上；4)高通量并行刻写光束水平扫描配合光刻样品垂直移动实现小区域直写光刻；5)光刻样品大范围三维移动实现三维直写光刻。本发明还提供一种实现高通量并行激光扫描直写光刻的装置。本发明相较于现有技术，具有直写光刻加工效率高、加工速度快和加工样品尺度大的优点。

Description

一种实现高通量并行激光扫描直写光刻的方法和装置
技术领域
本发明属于光学工程领域，特别涉及一种实现高通量并行激光扫描直写光刻的方法和装置。
背景技术
激光直写加工技术是一种具有微米加工精度，又具备三维打印能力的微加工技术。可以灵活地制造相应尺度结构的机械、电子和光学器件。同时，简化了加工工艺，特别适合用于新型器件的研究与试制。
激光直写加工技术根据其实现的加工方式不同，可以分为投影直写加工、电扫描直写加工和机械扫描直写加工。
其中，投影直写加工单次加工面积最大，加工效率很高，但是由于刻写光投影器件本身的投影分辨率较低，且器件面型往往存在不均匀性，导致其加工样品的分辨率很低，不适合高精度加工。电扫描直写加工的特点是扫描速度相对于一般的机械扫描更快，但是这种方式目前只能实现单点扫描，且一次扫描面积很小。所以此种方式实际加工效率并不高。机械扫描直写加工是目前使用最广泛的直写加工方式。常规的机械扫描器件包括压电平台、振镜等，机械扫描工作稳定，扫描范围大，但是扫描速度最慢，加工大尺度器件时间过长，无法适应大尺寸器件的加工需求。
可见，以上直写加工方法都具有自身的局限性，因此需要一种高速高通量的激光直写加工方法来满足高分辨、大尺度加工的要求。
发明内容
本发明的目的为提供一种实现高通量并行激光扫描直写光刻的方法，利用该方法可以生成实现高速扫描的高通量并行刻写光束，从而进行并行激光直写光刻，大幅度提高了光刻的速度与加工面积。
为了实现上述目的，本发明提供的实现高通量并行激光扫描直写光刻的方法，包括以下步骤：
1)生成由多束子光束组成的高通量并行刻写光束；
2)独立控制高通量并行刻写光束中各子光束的通断；
3)高通量并行刻写光束通过高速转镜反射后，聚焦在光刻样品上，产生高通量并行刻写聚焦光斑；高通量并行刻写光束的子光束排列方向与转镜的旋转方向相垂直，通过转镜旋转改变高通量并行刻写光束的水平反射方向，实现单周期水平方向并行扫描；
4)高通量并行刻写光束水平扫描配合光刻样品垂直移动实现小区域直写光刻；
5)光刻样品大范围三维移动实现三维直写光刻。
进一步地，所述的高通量并行刻写光束的各子光束在同一子午面内，为等角间隔单列排列。
为了使投射到样品上的光斑光强分布更均匀，进一步地，将所述的高通量并行刻写光束转换为圆偏光后，对样品进行扫描光刻。
本发明的另一目的为提供一种高通量并行激光扫描直写光刻装置，该装置可用于实现上述方法。该装置中使用高速转镜反射高通量并行刻写光束，配合样品平移运动机构运动完成并行扫描，极大地提高了直写光刻的加工速度和加工面积。
一种高通量并行激光扫描直写光刻装置，包括：
激光光源，用于发出刻写激光；
扩束整形装置，用于产生高质量的扩束、准直偏振光；
空间光调制器，用于产生由多束子光束组成的高通量并行刻写光束；
多通道光开关装置，用于独立控制高通量并行刻写光束中各子光束的通断；
高速转镜***，用于实现高通量并行刻写光束的水平扫描；
聚焦透镜***，用于将高通量并行刻写光束聚焦在光刻样品上，产生高通量并行刻写聚焦光斑；
样品平移运动机构，用于将光刻样品垂直步进移动和大范围三维移动。
进一步地，扩束整形装置包括依次置于光轴上的：用于产生线偏光的起偏器；用于调整光束偏振方向的第一二分之一波片；用于扩束与整形的第一透镜、小孔和第二透镜。其中所述第一透镜与第二透镜组成4f***；所述小孔置于第一透镜与第二透镜的共焦位置。
进一步地，多通道开关装置包括：用于将高通量并行刻写光束转换为聚焦光的第三透镜；用于独立控制高通量并行刻写光束中各子光束通断的多通道声光调制器；用于将高通量并行刻写光束恢复为准直光束的第四透镜；用于旋转偏振方向的第二二分之一波片；用于将高通量并行刻写光束转换为圆偏光的四分之一波片。其中，所述第三透镜缩束的宽度满足多通道声光调制器的调制宽度要求。所述多通道声光调制器放置于第三透镜后焦点处，多通道声光调制器的通道数量与高通量并行刻写光束的子光束数量相同，各刻写子光束入射多通道声光调制器相应通道的光学入口并从相应通道的光学出口处正常出射。
进一步地，高速转镜***包括：用于实现使高通量并行刻写光束水平角度扫描的高速转镜；用于将水平角度扫描转换为水平位移扫描的扫描透镜。
进一步地，聚焦透镜***包括：场镜与物镜。其中，上述扫描透镜与所述场镜、物镜依次置于同一光轴，扫描透镜与场镜组成4f***，将高速转镜的反射镜面共轭于物镜入瞳面位置。
进一步地，空间光调制器调制产生10束等角间隔出射光束。
进一步地，高通量并行刻写光束的排列方向与高速转镜的旋转方向垂直。
进一步地，扫描透镜为f-θ透镜。
进一步地，样品平移运动机构为压电位移平台。
本发明的原理如下：
样品平移运动机构与高速转镜***联动控制，高速转镜工作后，每旋转一个反射面，经其反射的高通量并行刻写光束即完成一个水平周期的扫描；每完成一个周期的水平方向并行扫描后，样品平移运动机构带动样品向垂直方向做一个单行扫描宽度的微小步进移动；步进移动完成后同步开始下一周期水平扫描，重复上述过程，直至完成区域小范围并行直写光刻。然后样品平移运动机构带动样品做大范围三维移动，定位到下一个刻写区域，并再次开始此区域的直写光刻。在光刻过程中，光开关装置配合样品平移运动机构与高速转镜***，独立控制每束刻写子光束的通断，实现任意图形并行三维高速直写光刻。
本发明对比已有技术的优点是，同时具备了以下功能：
1)多束光束同时扫描，独立控制通断，实现了任意图形高通量并行刻写，提升了直写加工效率；
2)高速转镜扫描，实现了高速扫描加工；
3)样品平移运动机构带动样品进行大范围三维移动，实现了大尺度三维直写加工。
附图说明
图1为本发明高通量并行激光扫描直写光刻装置的示意图；
图2为本发明中高通量并行刻写聚焦光斑的分布示意图；
图3为本发明中高通量并行刻写光束与高速转镜的位置关系示意图。
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，但是本发明还可以采用其他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推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明由激光器产生直写光束，经由空间光调制器调制，产生高通量并行刻写光束。多通道声光调制器作为各子光束的光开关控制子光束的通断。高通量并行刻写光束通过高速转镜反射，经后续透镜聚焦后，在样品中产生高通量并行刻写聚焦光斑。压电位移平台移动样品，配合高速转镜旋转扫描与声光调制器控制光路通断，实现激光在样品中的高速三维直写加工。光电图像采集器通过照明光对样品进行实时成像，监控直写加工进程。
如图1所示，本实施例提供的一种高通量并行激光扫描直写光刻装置包括：激光器1，起偏器2，第一二分之一波片3，第一透镜4，小孔5，第二透镜6，空间光调制器7，第三透镜8，多通道声光调制器9，第四透镜10，第二二分之一波片11，四分之一波片12，高速转镜13，扫描透镜14，场镜15，二色分束镜16，物镜17，光刻样品架18，压电位移平台19，照明光源20，准直透镜21，半透半反镜22，成像透镜23，光电图像采集器24。
采用图1所示的装置，实现高速激光扫描直写的方法如下：
激光器1发出波长为780nm的直写光束，经过起偏器2和第一二分之一波片3，成为线偏光。第一二分之一波片3用来旋转光束的偏振方向，使光束的偏振方向与空间光调制器7要求的可调制入射偏振方向相一致。线偏光经过第一透镜4、小孔5和第二透镜6入射到空间光调制器7上。第一透镜4和第二透镜6将入射光束扩束准直。小孔5进行空间滤波，滤除边缘杂散光，提高光束质量。在空间光调制器7上加载合适的衍射相位，对入射光进行空间调制，将出射光转换为同一子午面内的等角度间隔多束并行光束，生成高通量并行列刻写光。
高通量并行刻写光束经第三透镜8聚焦后通过多通道声光调制器9，再经过第四透镜10还原为多束准直光束。其中，多通道声光调制器9放置于第三透镜8的焦点处，且保证各刻写子光束可以入射多通道声光调制器9相应通道的光学入口并可以从相应通道的光学出口处正常出射。多通道声光调制器9的通道数量与高通量并行刻写光束的子光束数量相同。每束刻写子光束被缩束的宽度满足多通道声光调制器9的调制宽度要求。
高通量并行刻写光束经过第二二分之一波片11和四分之一波片12，各子光束由线偏光转换为圆偏光后，入射到高速转镜13表面同一点。其中，高通量并行刻写光束的子光束排列方向与高速转镜13的旋转轴指向方向一致，与高速转镜13的旋转面垂直。反射光经由组成4f***的扫描透镜14和场镜15，再通过二色分束镜16，最后聚焦于物镜17的焦面上，产生高通量并行刻写聚焦光斑。
在高通量并行激光扫描直写光刻装置工作时，高速转镜13旋转，改变高通量并行刻写光束的水平反射方向，引起物镜17焦面上高通量并行刻写聚焦光斑的水平移动，实现多光束并行扫描直写。其中，高通量并行刻写聚焦光斑为实心光斑纵列，如图2所示。
光刻样品架18与压电位移平台19相连，光刻样品固定在光刻样品架18上并置于物镜17的焦面位置。在高通量并行激光扫描直写光刻装置工作时，压电位移平台19带动光刻样品架18进行三维平移运动，将样品位置调整到光刻位置。高速转镜13旋转完成单周期水平方向并行扫描后，压电位移平台19带动样品做垂直步进运动后，开始第二周期水平方向并行扫描。逐次重复此过程，并配合多通道声光调制器9控制光路通断，直至完成物镜视场内、一个光刻平面中的全部扫描直写光刻。之后，压电位移平台19带动光刻样品进行下一次平移运动，重复以上过程，开始下一个光刻平面的并行逐行扫描直写光刻。
照明光源20发出波长590nm的照明光，经准直透镜21准直后，由半透半反镜22反射到二色分束镜16，再由二色分束镜16反射入物镜17，由物镜17聚焦于样品中进行照明。照明光经样品反射，依次经过物镜17，二色分束镜16，半透半反镜22，由成像透镜23汇聚于光电图像采集器24。其中，二色分束镜16透射780nm刻写光，反射590nm照明光。光电图像采集器24接收样品反射的照明光对光刻进程进行实时成像监控。
图3显示的是高通量并行刻写光束相对于高速转镜的位置关系及高速转镜的扫描方式。高通量并行刻写光束25在同一子午面内等角度间隔分布，汇聚于转镜反射面26一点。经转镜反射面26反射进入后续光路。当转镜旋转轴27带动转镜沿箭头28方向旋转时，高通量并行刻写光束25与转镜反射面26的水平相对入射方向发生改变。多束平行刻写光束的出射水平角度随高速转镜旋转发生周期性往复变化，实现水平方向扫描。转镜旋转轴27沿竖直方向布置，高通量并行刻写光束25各子光束亦沿竖直方向排列，与转镜旋转轴27的方向相同，垂直于表示转镜旋转方向的箭头28的所在平面。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现高通量并行激光扫描直写光刻的方法，其特征在于，包括步骤：
1)生成由多束子光束组成的高通量并行刻写光束；
2)独立控制高通量并行刻写光束中各子光束的通断；
3)高通量并行刻写光束通过高速转镜反射后，聚焦在光刻样品上，产生高通量并行刻写聚焦光斑；高通量并行刻写光束的子光束排列方向与转镜的旋转方向相垂直，通过转镜旋转改变高通量并行刻写光束的水平反射方向，实现单周期水平方向并行扫描；
4)高通量并行刻写光束水平扫描配合光刻样品垂直移动实现小区域直写光刻；
5)光刻样品大范围三维移动实现三维直写光刻。
2.如权利要求1所述的实现高通量并行激光扫描直写光刻的方法，其特征在于，所述的高通量并行刻写光束在同一子午面内，为等角间隔单列排列。
3.如权利要求1所述的实现高通量并行激光扫描直写光刻的方法，其特征在于，将所述的高通量并行刻写光束转换为圆偏光后，对样品进行扫描光刻。
4.一种实现高通量并行激光扫描直写光刻的装置，其特征在于，包括：
激光光源，用于发出刻写激光；
扩束整形装置，用于产生高质量的扩束、准直偏振光；
空间光调制器，用于产生高通量并行刻写光束；
多通道光开关装置，用于独立控制高通量并行刻写光束中各子光束的通断；
高速转镜***，用于实现高通量并行刻写光束的水平并行扫描；
聚焦透镜***，用于将高通量并行刻写光束聚焦在光刻样品上；
样品平移运动机构，用于将光刻样品垂直步进移动和大范围三维移动。
5.如权利要求4所述的实现高通量并行激光扫描直写光刻的装置，其特征在于，所述多通道光开关装置由多通道声光调制器实现。
6.如权利要求4所述的实现高通量并行激光扫描直写光刻的装置，其特征在于，所述高速转镜***包括：用于实现使高通量并行刻写光束水平角度扫描的高速转镜；用于将水平角度扫描转换为水平位移扫描的扫描透镜。
7.如权利要求6所述的实现高通量并行激光扫描直写光刻的装置，其特征在于，所述高通量并行刻写光束的排列方向与高速转镜的旋转方向相垂直。
8.如权利要求4所述的实现高通量并行激光扫描直写光刻的装置，其特征在于，所述样品平移运动机构与高速转镜***联动控制，高速转镜***反射高通量并行刻写光束，每完成一个周期的水平方向并行扫描后，样品平移运动机构带动样品向垂直方向做一个单行扫描宽度的微小步进移动；步进移动完成后同步开始下一周期水平扫描，重复上述过程，直至完成区域小范围并行直写光刻。
9.如权利要求4所述的实现高通量并行激光扫描直写光刻的装置，其特征在于，所述样品平移运动机构带动样品做大范围三维移动，定位到样品任意区域实施直写光刻。
10.如权利要求4所述的实现高通量并行激光扫描直写光刻的装置，其特征在于，所述样品平移运动机构为压电位移平台。
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