CN113189848B - 一种基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻*** - Google Patents

一种基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，通过激发光的双光子效应引发负性光刻胶的光聚合，以及引入抑制光束阻止激发光焦斑边缘位置的光刻胶进行光聚合，使直写式光刻的最小特征尺寸突破光学衍射极限限制；并通过光纤阵列和普通空间光学器件实现多通道并行直写，极大地提升直写式光刻***的运行效率。本发明使用普通市售的光纤及空间光学器件构建***，可行性高、实现成本低。

Description

一种基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***
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阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***。
背景技术
光刻技术在当今众多科研领域和制造领域发挥着举足轻重的作用。如制造大规模集成电路、高精密光学微透镜、生物学和医学中的微支架结构等都需要光刻技术来实现。虽然通过掩模版进行大面积曝光的光刻方法已使目前大规模集成电路具有很高的生产效率，但直写式光刻在某些领域仍然有其无可替代的优势。例如通过掩模版进行大面积曝光的光刻方法只适用于二维平面上重复结构的批量生产，而直写式光刻可进行三维空间中任意结构的精细加工，并且掩模版的母版制造也需要通过某种直写式光刻来实现。
目前基于光子的直写式光刻技术主要面临两大问题：
一是由于光学***存在衍射极限，用于光刻的光束所汇聚成的焦斑直径最小只能达到其波长的一半量级，而直写式光刻是通过其焦斑引发光刻胶的变性来进行加工的，所以理论上这种光刻技术实现的最小特征尺寸无法低于所采用光源波长的一半。而可见光的波长范围约在400nm-700nm，所以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无法低于200nm。这种特征尺寸已经无法满足很多实际应用的需求。
二是由于直写式光刻是在光刻胶样品池采用逐点曝光的方法来实现三维结构的刻写，其刻写速度较通过掩模版的大面积曝光方法而言非常之慢。目前已有一些负性光刻胶，其初始状态为液体，光刻胶分子可通过同时吸收激发光中的两个光子发生光聚合反应(双光子效应)。这种双光子激发只有在激发光功率密度非常大的区域才有大概率发生，相当于缩小了激发光汇聚焦斑的有效作用范围。另一方面，这种负性光刻胶还会因另一特定波长的光的辐照而无法进行光聚合，这种波长的光被成为抑制光。通过使环形的抑制光覆盖激发光焦斑的***区域，也可有效缩小激发光的有效作用范围。
发明内容
本发明的目的在于解决现有直写式光刻技术中刻写速度慢、刻写精度受衍射极限限制的问题，提供一种基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，包括激发光源、抑制光源、多通道分光单元、两组光纤阵列、与光纤阵列兼容的光开关阵列、对光纤阵列输出光场进行调制的空间光调制单元、三维位移台和计算机控制单元。三维位移台搭载光刻胶样品池。
激发光源发出的激发光、抑制光源发出的抑制光分别依次经过多通道分光单元、光开关阵列、光纤阵列、空间光调制单元，最终到达光刻胶样品池。激发光源发出的激发光在其聚焦区域引发光刻胶的光聚合；抑制光源发出的抑制光阻止其辐照范围内的光刻胶进行光聚合。
计算机控制单元分别控制连接光纤阵列的光开关阵列的通断和三维位移台。
空间光调制单元由多组光学透镜及其它光学器件组成，其作用在于：
第一，将抑制光光纤阵列的输出光场调制为具有环形光场分布特征的涡旋光束阵列，并将激发光光纤阵列的输出光场调制为具有高斯型光场分布特征的光束阵列；
第二，将调制好的抑制光与激发光光束阵列合束并保证每束激发光分别与一束抑制光严格同轴；
第三，将总光场汇聚于光刻胶样品池中，使激发光束阵列聚焦后的焦斑均位于同一焦平面上，使焦平面上每个激发光的焦斑大小达到衍射极限，并使焦平面上的抑制光的环形焦斑覆盖激发光的高斯型焦斑的部分***区域。
进一步地，多通道分光单元由空间光分光器件、将空间光耦合进光纤的光纤端口耦合器以及光纤耦合器组成。多通道分光单元将单一光源发出的激光束平均分为功率相等的若干份，分别作为光纤阵列中每根光纤的输入。
进一步地，空间光分光器件为半波片和偏振分束器。
进一步地，光开关阵列各光开关独立地控制光纤阵列中单根光纤的通断。
进一步地，三维位移台用来控制光刻胶样品池的x,y,z三方向的位移，配合光开关阵列，使激发光束焦斑在光刻胶样品池中的特定空间位置产生，并引发该位置光刻胶的光聚合。
进一步地，光纤阵列由一组特征参数完全一致的光纤组成。对于输入光源，光纤阵列中的光纤仅支持基模输出，且两组光纤阵列中各光纤出射光场的发散角与模场直径相等。
进一步地，光纤阵列的排列形式是紧密排列的一行或一个矩阵。
进一步地，光开关阵列中各光开关的消光比不小于50dB，光开关调制的最大调制频率不低于1KHz。
进一步地，光开关阵列由集成于光纤中的声光调制器或电光调制器实现。
进一步地，三维位移台三方向位移的最小步长在纳米或亚纳米量级。
本发明的有益效果是：本发明通过抑制光的引入，大大缩减激发光实际能引起光刻胶光聚合的范围，使光刻精度可以突破衍射极限的限制。本发明通过计算机控制单元全局控制并行式直写光刻过程，包括通过光纤开关阵列实时控制每根光纤输出的通断，以及通过搭载光刻胶样品池的精密三维位移台实时控制阵列式光场焦斑对样品池中某些特定位置进行曝光。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。通过这种多通道并行式直写的方案，可以极大地提升直写式光刻的效率。
附图说明
图1为本发明中激发光光源与抑制光光源的分光与多通道开关控制的示意图；
图2为本发明中对于光纤阵列出射光场的一种透射式调制方案示意图；
图3为本发明中对于光纤阵列出射光场的一种反射式调制方案示意图；
图4为五通道且等间距纵向排列的***光斑示意图；其中，左边为激发光形成的焦斑阵列；中间为抑制光形成的环形亮斑阵列；右边为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阵列；
图中：1、激发光源；2、第一半波片；3、第一偏振分束器；4、第二半波片；5、第二偏振分束器；6、第三半波片；7、第三偏振分束器；8、第一光纤端口耦合器；9、第二光纤端口耦合器；10、第三光纤端口耦合器；11、第四光纤端口耦合器；12、第一1×4光纤耦合器；13、第二1×4光纤耦合器；14、第三1×4光纤耦合器；15、第四1×4光纤耦合器；16-31、光纤声光调制器；32、抑制光源；33、第四半波片；34、第四偏振分束器；35、第五半波片；36、第五偏振分束器；37、第六半波片；38、第六偏振分束器；39、第五光纤端口耦合器；40、第六光纤端口耦合器；41、第七光纤端口耦合器；42、第八光纤端口耦合器；43、第五1×4光纤耦合器；44、第六1×4光纤耦合器；45、第七1×4光纤耦合器；46、第八1×4光纤耦合器；47-62、光纤声光调制器；63、计算机控制单元；64、第一光纤阵列；65、第一扫描透镜；66、透射式光束整形元件；67、第一透镜；68、第一平面反射镜；69、第二透镜；70、第二光纤阵列；71、第二扫描透镜；72、透射式光束调制元件；73、第三透镜；74、第四透镜；75、第一半反半透镜；76、第三扫描透镜；77、第一场镜；78、第一显微物镜；79、第一高精度三维位移台；80、第三光纤阵列；81、第四扫描透镜；82、第五透镜；83、第二平面反射镜；84、第六透镜；85、第一反射式空间光调制器；86、第七透镜；87、第三平面反射镜；88、第八透镜；89、第四光纤阵列；90、第五扫描透镜；91、第九透镜；92、第十透镜；93、第二反射式空间光调制器；94、第十一透镜；95、第四平面反射镜；96、第十二透镜；97、第二半反半透镜；98、第六扫描透镜；99、第二场镜；100、第二显微物镜；101、第二高精度三维位移台。
具体实施方式
本发明一种基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，包括一种光纤阵列输入光信号的生成装置和对光纤阵列输出光场进行调制的空间光调制单元，可由多种形式实现。本发明利用两种不同波长的激光光源(激发光源和抑制光源)所发出的准直光束经分光后入射两组光纤阵列，从光纤阵列出射的光束阵列经后续空间光器件调制后形成光刻所需的阵列式光场。其中，激发光形成的阵列式光场由若干个聚焦到衍射极限的高斯光斑组成，抑制光形成的阵列式光场由若干个聚焦到衍射极限的具有中心暗斑的环形光斑组成，并且抑制光阵列式光场中的每个环形光斑与激发光阵列式光场中的相应高斯光斑的中心重合，环形抑制光斑能够覆盖住高斯型激发光斑的大部分***区域。本发明采用与激发光和抑制光相匹配的负性光刻胶进行光刻，激发光可引发其焦斑范围内光刻胶的光聚合，而抑制光将阻止其辐照范围内的光刻胶的光聚合的发生。
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。
如图1所示，本发明一种光纤阵列输入光信号的生成装置，包括光源和集成了光开关阵列的多通道分光单元，具体包括激发光源1、抑制光源32、六个半波片、六个偏振分束器、八个光纤端口耦合器、八个1×4光纤耦合器、三十二个光纤声光调制器和计算机控制单元63。
由激发光源1发出的激光束经由第一半波片2和第一偏振分束器3分为两束，其中一束又经由第二半波片4和第二偏振分束器5分为两束，另一束又经由第三半波片6和第三偏振分束器7分为两束。从第二偏振分束器5、第三偏振分束器7输出的4束空间光分别经光纤端口耦合器8-11耦合进四个1×4光纤耦合器12-15的输入端，由四个1×4光纤耦合器12-15分光后，激发光被分为16路输入到后续光纤阵列中。光纤阵列的每一路输入光分别由计算机控制单元63控制的光纤声光调制器16-31独立控制通断。其中，四个1×4光纤耦合器12-15具有相同的特征参数，并且四路输出具有1：1：1：1的分光比。
具体实施过程中，通过调节第一半波片2、第二半波片4、第三半波片6相对于第一偏振分束器3、第二偏振分束器5、第三偏振分束器7的旋转角度，使激发光源经由偏振分束器分光并输入后续光纤阵列的每路光功率近似相等。本发明并行式超分辨直写式光刻***不限于16通道的并行式直写，可通过自由增减分光单元中的半波片与偏振分束器、光纤耦合器的数量来实现任意个通道的并行式直写。
优选地，采用与激发光对称的光路对抑制光进行分光，由抑制光源32发出的激光束经由第四半波片33和第四偏振分束器34分为两束，其中一束又经由第五半波片35和第五偏振分束器36分为两束，另一束又经由第六半波片37和第六偏振分束器38分为两束。从第五偏振分束器36、第六偏振分束器38输出的4束空间光分别经光纤端口耦合器39-42耦合进四个1×4光纤耦合器43-46的输入端，由四个1×4光纤耦合器43-46分光后，抑制光被分为16路输入到后续光纤阵列中。光纤阵列的每一路输入光分别由计算机控制单元63控制的光纤声光调制器47-62独立控制通断。其中，四个1×4光纤耦合器43-46具有相同的特征参数，并且四路输出具有1：1：1：1的分光比。
具体实施过程中，通过调节第四半波片33、第五半波片35、第六半波片37相对于第四偏振分束器34、第五偏振分束器36、第六偏振分束器38的旋转角度，使抑制光源经由偏振分束器分光并输入后续光纤阵列的每路光功率近似相等。本发明并行式超分辨直写式光刻***不限于16通道的并行式直写，可通过自由增减分光单元中的半波片与偏振分束器、光纤耦合器的数量使抑制光和激发光的通道数量一致。
如图2所示，本发明一种对光纤阵列输出光场进行调制的透射式空间光调制单元，包括第一光纤阵列64、第二光纤阵列70、三个扫描透镜、透射式光束整形元件66、四个透镜、第一平面反射镜68、透射式光束调制元件72、第一半反半透镜75、第一场镜77、第一显微物镜78、第一高精度三维位移台79。其中，第一高精度三维位移台79上搭载光刻胶样品池。
由第一光纤阵列64输出的激发光束阵列经由第一扫描透镜65汇聚为一组光轴互不平行的平行光束，并且这组平行光束的光轴均通过第一扫描透镜65的后焦点。实际应用中，由于光纤阵列中每根光纤的离轴距离很小，所输出光束阵列经由第一扫描透镜65汇聚后的平行光束的离轴角度也很小，所以在第一扫描透镜65的后焦面上各平行光束的光场截面几乎重合。通过放置于第一扫描透镜65后焦面上的透射式光束整形元件66，可将每束平行光束进行近似相等的光束整形。举例来说，透射式光束整形元件66可以是一个简单的孔径光阑，也可以由透射式空间光调制器进行更精确的光束整形。经过整形后的光束阵列又经过第一透镜67、第一平面反射镜68和第二透镜69构成的4F***，将第一透镜67前焦面处的整形后的光束阵列共轭至第二透镜69的后焦面。
由第二光纤阵列70输出的抑制光束阵列经由第二扫描透镜71汇聚为一组光轴互不平行的平行光束，并且这组平行光束的光轴均通过第二扫描透镜71的后焦点。通过放置于第二扫描透镜71后焦面上的透射式光束调制元件72，可将每束平行光束调制成近似相同的环形光束。举例来说，透射式光束调制元件72可以是一个针对抑制光波长的涡旋相位板，也可以由透射式空间光调制器将各光束调制为涡旋光束。经过调制后的环形光束阵列又经过第三透镜73和第四透镜74构成的4F***，将第三透镜73前焦面处的整形后的光束阵列共轭至第四透镜74的后焦面。
经过调制后的激发光束阵列和抑制光束阵列经由第一半反半透镜75合束，合束后的光束阵列又经过第三扫描透镜76和第一场镜77，使第二透镜69的后焦面和第四透镜74的后焦面上的像同时共轭至第一显微物镜78的入瞳面，合成光束阵列通过第一显微物镜78聚焦为并行式超分辨直写式光刻所需的点阵光场。
由计算机控制单元63控制第一高精度三维位移台79进行三维移动，配合计算机控制单元63实时控制光纤声光调制器16-31、47-62的通断，即可实现对光刻胶样品池中任意点的并行式超分辨直写。
如图3所示，本发明一种对光纤阵列输出光场进行调制的反射式空间光调制单元，包括第三光纤阵列80、第四光纤阵列89、三个扫描透镜、八个透镜、三个平面反射镜、两个反射式空间光调制器、第二半反半透镜97、第二场镜99、第二显微物镜100、第二高精度三维位移台101。其中，第二高精度三维位移台101上搭载光刻胶样品池。
由第三光纤阵列80输出的激发光束阵列经由第四扫描透镜81汇聚为一组光轴互不平行的平行光束，并且这组平行光束的光轴均通过第四扫描透镜81的后焦点。实际应用中，由于光纤阵列中每根光纤的离轴距离很小，所输出光束阵列经由第四扫描透镜81汇聚后的平行光束的离轴角度也很小，所以在第四扫描透镜81的后焦面上各平行光束的光场截面几乎重合。光束阵列经过第五透镜82、第二平面反射镜83和第六透镜84组成的4F***，将第四扫描透镜81后焦面的像共轭至第六透镜84的后焦面。第一反射式空间光调制器85的中轴线位于第六透镜84的后焦面上，并且空间光调制器85的反射面与第六透镜84的后焦面间存在小于10°的夹角。空间光调制器85可将激发光束阵列中的每束平行光进行相似的光场整形，并将整形后的光束阵列反射进入由第七透镜86、第三平面反射镜87和第八透镜88组成的4F***。
由第四光纤阵列89输出的抑制光束阵列经由第五扫描透镜90汇聚为一组光轴互不平行的平行光束，并且这组平行光束的光轴均通过第五扫描透镜90的后焦点。光束阵列经过第九透镜91和第十透镜92组成的4F***，将第五扫描透镜90后焦面的像共轭至第十透镜92的后焦面。第二反射式空间光调制器93的中轴线位于第十透镜92的后焦面上，并且空间光调制器93的反射面与第十透镜92的后焦面间存在小于10°的夹角。空间光调制器93可将激发光束阵列中的每束平行光调制为相似的涡旋光，并将调制后形成的环形光束阵列反射进入由第十一透镜94、第四平面反射镜95和第十二透镜96组成的4F***。
经过调制后的激发光束阵列和抑制光束阵列经由第二半反半透镜97合束，合束后的光束阵列又经过第六扫描透镜98和第二场镜99，使第八透镜88的后焦面和第十二透镜96的后焦面上的像同时共轭至第二显微物镜100的入瞳面，合成光束阵列通过第二显微物镜100聚焦为并行式超分辨直写式光刻所需的点阵光场。
由计算机控制单元63控制第二高精度三维位移台101进行三维移动，配合计算机控制单元63实时控制光纤声光调制器16-31、47-62的通断，即可实现对光刻胶样品池中任意点的并行式超分辨直写。
上述第一光纤阵列64和第二光纤阵列70、第三光纤阵列80和第四光纤阵列89中的光纤对于其各自的输入光源(激发光源与抑制光源)具有相同的数值孔径与相近的输出模场直径。对光纤阵列输出的光场阵列进行调制的透镜组需要经过特殊的设计以实现消色散、消场曲等功能。最终实现：激发光阵列光束经***中最后一个透镜(透射式***中的第一显微物镜78或反射式***中的第二显微物镜100)聚焦后的焦点位于同一平面内，且焦平面上各焦斑的相对位置与光纤阵列出射时各激发光束的相对位置成等比例缩小关系；抑制光阵列光束经***中最后一个透镜(透射式***中的第一显微物镜78或反射式***中的第二显微物镜100)聚焦后的环形焦斑位于同一平面内，且抑制光阵列的焦平面与激发光阵列的焦平面相同或十分接近，且在激发光的焦平面上，每个激发光的高斯型光斑的大部分***区域均被对应的抑制光环形光斑覆盖。
如图4所示，左边为排成一纵排的等间隔的5个激发光束在***出射焦平面上的焦斑分布图，中间为与其对应的排成一纵排的等间隔的5个抑制光束在上述激发光焦平面上的环形光斑分布图，右边为在激发光与抑制光共同作用下，实际引发光刻胶光聚合的有效光斑示意图。
光刻过程中，通过计算机控制单元63控制高精度三维位移台的移动，5个实际引发光刻胶光聚合的有效光斑同时在光刻胶样品池中发生移动。并且计算机通过光纤光开关阵列实时控制五路激发光与相应抑制光的通断，以此控制高精度三维位移台移动过程中5个实际引发光刻胶光聚合的有效光斑中任意光斑的亮灭，即可实现5通道并行式超分辨直写式光刻。其中，将包层直径为125微米的裸光纤按需求精确放置于特制的光纤定位模具中，并对光纤阵列的输出端面进行切割和研磨，使阵列中每根光纤的输出端面都处于同一平面上。三维位移台三方向位移的最小步长在纳米或亚纳米量级。光开关阵列中各光开关的消光比不小于50dB，光开关调制的最大调制频率不低于1KHz。
实际应用***中通过增加光纤阵列中的光纤数量，可实现更多通道的并行式直写，进一步提升***的运行速度。

Claims (10)

1.一种基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，其特征在于，包括激发光源、抑制光源、多通道分光单元、两组光纤阵列、与光纤阵列兼容的光开关阵列、对光纤阵列输出光场进行调制的空间光调制单元、三维位移台和计算机控制单元；三维位移台搭载光刻胶样品池；
激发光源发出的激发光、抑制光源发出的抑制光分别依次经过多通道分光单元、光开关阵列、光纤阵列、空间光调制单元，最终到达光刻胶样品池；激发光源发出的激发光在其聚焦区域引发光刻胶的光聚合；抑制光源发出的抑制光阻止其辐照范围内的光刻胶进行光聚合；
计算机控制单元分别控制连接光纤阵列的光开关阵列的通断和三维位移台；
空间光调制单元由多组光学透镜及其它光学器件组成，其作用在于：
第一，将抑制光光纤阵列的输出光场调制为具有环形光场分布特征的涡旋光束阵列，并将激发光光纤阵列的输出光场调制为具有高斯型光场分布特征的光束阵列；
第二，将调制好的抑制光与激发光光束阵列合束并保证每束激发光分别与一束抑制光严格同轴；
第三，将总光场汇聚于光刻胶样品池中，使激发光束阵列聚焦后的焦斑均位于同一焦平面上，使焦平面上每个激发光的焦斑大小达到衍射极限，并使焦平面上的抑制光的环形焦斑覆盖激发光的高斯型焦斑的部分***区域。
2.根据权利要求1所述基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，其特征在于，多通道分光单元由空间光分光器件、将空间光耦合进光纤的光纤端口耦合器以及光纤耦合器组成；多通道分光单元将单一光源发出的激光束平均分为功率相等的若干份，分别作为光纤阵列中每根光纤的输入。
3.根据权利要求2所述基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，其特征在于，空间光分光器件为半波片和偏振分束器。
4.根据权利要求1所述基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，其特征在于，光开关阵列各光开关独立地控制光纤阵列中单根光纤的通断。
5.根据权利要求1所述基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，其特征在于，三维位移台用来控制光刻胶样品池的x,y,z三方向的位移，配合光开关阵列，使激发光束焦斑在光刻胶样品池中的特定空间位置产生，并引发该位置光刻胶的光聚合。
6.根据权利要求1所述基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，其特征在于，光纤阵列由一组特征参数完全一致的光纤组成；对于输入光源，光纤阵列中的光纤仅支持基模输出，且两组光纤阵列中各光纤出射光场的发散角与模场直径相等。
7.根据权利要求1所述基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，其特征在于，光纤阵列的排列形式是紧密排列的一行或一个矩阵。
8.根据权利要求1所述基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，其特征在于，光开关阵列中各光开关的消光比不小于50dB，光开关调制的最大调制频率不低于1KHz。
9.根据权利要求1所述基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，其特征在于，光开关阵列由集成于光纤中的声光调制器或电光调制器实现。
10.根据权利要求1所述基于光纤阵列的多通道并行式超分辨直写式光刻***，其特征在于，三维位移台三方向位移的最小步长在纳米或亚纳米量级。
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