CN115826364A - 基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法与装置，将存在延时的一个激发光和一个促进光合束，入射到数字微镜器件，随后成像到三维样品台的基板上涂覆的具有双步双光子效应的光刻胶上；根据所需刻写结构控制数字微镜器件，完成基板所在焦面处的曝光，同时控制三维样品台，以及激发光和促进光的延时，使延时大于光刻胶分子的单重态的激发态S₁到多重态T₁，进而实现双步双光子效应，实现任意三维纳米结构的刻写；激发光和促进光为同一波长且重复频率相同的激光束，且激发光的脉宽为飞秒，促进光的脉宽为皮秒或者纳秒。本发明实现超分辨激光刻写，并且结合数字微镜器件，进而实现高通量刻写能力。

Description

基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法与装置

技术领域

本发明属于超分辨激光纳米直写光刻领域，尤其涉及一种基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法与装置。

背景技术

直写式刻写技术中，电子束直写和离子束直写加工分辨率通常能达到5纳米以下，但是设备高昂，加工效率低，无法大面积制备，而且依赖于真空环境，对加工材料存在诸多限制。双光子激光直写相对设备低廉，可在常规环境下进行刻写，且具备高精度与真三维加工能力，已经被应用于众多领域的研究，例如制备微型光学元件、微机械、微流控芯片、仿生结构等。

尽管双光子激光直写3D光刻技术具有独特加工优势，但其加工精度仍然面临不足的难题，现有技术难以实现百纳米以下精度的刻写，无法完成复杂精细结构的加工。此外，目前激光直写刻写基于单光束扫描的方式效率低下，大幅限制了该技术的发展，如德国Nanoscribe公司的GT2型激光直写***，在刻写1mm³体积的三维结构时需要花费数天时间。

精度不足影响了该技术在芯片、纳米制造等领域的重要运用，耗时长则不仅大幅降低了刻写效率，而且在加工过程中带来的不确定因素也大幅增加，严重影响了该技术在实际应用中的推广。若激光直写3D光刻技术能实现精度上的大幅提升、结合速度上的稳步增长，发挥其优势的同时弥补刻写精度与刻写效率的劣势，便可为国产光刻技术谋求新突破，更好地顺应多功能感知***中的关键敏感单元、微纳结构以及空间互联电路的制造需求，使兼具高通量、高精度、超快速、三维化、复杂性、大面积的微纳加工技术与装备成为可能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法与装置，具体技术方案如下：

一种基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法，将存在延时的一个激发光和一个促进光合束，入射到数字微镜器件，随后成像到三维样品台的基板上涂覆的具有双步双光子效应的光刻胶上；根据所需刻写结构控制所述数字微镜器件，完成所述基板所在焦面处的曝光，同时控制三维样品台，以及所述激发光和促进光的延时，使所述延时大于所述光刻胶分子的单重态的激发态S₁到多重态T₁，进而实现双步双光子效应，实现任意三维纳米结构的刻写；所述激发光和所述促进光为同一波长且重复频率相同的激光束，且所述激发光的脉宽为飞秒，所述促进光的脉宽为皮秒或者纳秒。

进一步地，所述激发光和促进光的波长范围为400nm至800nm。

进一步地，所述激发光和促进光的延时大于0.2纳秒，且所述激发光脉冲先于所述促进光照射在样品上。

进一步地，所述双步双光子效应的光刻胶的光引发剂材料为苯偶酰、苯甲酮、二乙酰、螺[1,3,3-三甲基吲哚-(6'-硝基苯并二氢吡喃)]中的任意一种。

进一步地，所述基板为硅片基底、K9玻璃基底或盖玻片基底。

一种实现基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法的装置，包括第一光源、第二光源、延时模块、合束模块、扩束模块、第一反射镜、数字微镜器件、第一透镜、物镜和三维样品台；所述第一光源发出激发光，所述第二光源发出调制光，所述调制光经过所述延时模块对其延时后，由所述合束模块将所述激发光和延时后的调制光合束，合束光经所述扩束模块进行扩束后，经过第二反射镜后照射到所述数字微镜器件上，经过所述第一透镜与所述物镜成像到所述三维样品台上；通过所述数字微镜器件、所述三维样品台、所述延时模块配合，完成任意三维图案的快速、高精度刻写。

进一步地，所述合束模块包括第一二分之一玻片、第二二分之一玻片、第二反射镜、偏振分光棱镜、四分之一玻片；所述第一二分之一玻片用于对延时后的调制光进行偏振态调制，使其经所述第二反射镜反射进入所述偏振分光棱镜后，所有能量发生反射；所述第二二分之一玻片对激发光进行偏振态调制，使其经过所述偏振分光棱镜后，所有能量发生透射；所述四分之一玻片用于将激发光和调制光的偏振态调制为圆偏振。

进一步地，所述扩束模块包括第二透镜、小孔、第三透镜；所述小孔位于所述第二透镜和第三透镜的焦面处，所述第二透镜和第三透镜用于对合束光进行扩束，所述小孔用于对所述合束光进行滤波。

进一步地，所述延时模块为电子延时器，其将第二光源的同步信号延时后对第一光源进行触发。

进一步地，所述数字微镜器件、所述第一透镜、所述物镜和所述三维样品台满足4F成像关系，即所述数字微镜器件与所述第一透镜的距离等于所述第一透镜的焦距，所述第一透镜与所述物镜的间距为两者焦距和，刻写时，所述三维样品台位于物镜的焦面处。

本发明的有益效果是：

本发明基于双步双光子效应，利用两个存在一定时延的同波长光源照射到光刻胶上，使光刻胶中光引发剂先后实现双光子吸收与三重态吸收，完成类似三光子吸收效果，实现比双光子吸收效应更小的刻写精度。本发明利用数字微镜阵列投影刻写的方式实现高通量二维面阵曝光，结合三维位移台在轴向高精度的位移，实现三维纳米结构的刻写，大幅提升刻写效率。并且第一光源与第二光源为相同波长，避免了由于***色差导致双光束中心偏离的难题。利用该方法与装置实现的超衍射极限、超高速3D刻写能力，可以有效的运用于硅光芯片、新型传感器、人工智能、新型材料等新兴领域。

附图说明

图1是光引发剂苯偶酰基态与三重态在不同波长下的吸收情况图。

图2是本发明的其中一个实施例的基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写装置示意图。

图3是本发明合束模块光路图。

图4是本发明扩束模块光路图。

图5是本发明基于双步双光子效应实现超分辨纳米刻写能力的原理图。

图中，1-第一光源，2-第二光源，3-延时模块，4-合束模块，5-扩束模块，6-第一反射镜，7-数字微镜器件，8-第一透镜，9-物镜，10-三维样品台，11-第一二分之一玻片，12-第二二分之一玻片，13-第二反射镜，14-偏振分光棱镜，15-四分之一玻片，16-第二透镜，17-小孔，18-第三透镜。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

作为本发明的一个方面，本发明的基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法，将存在延时的一个激发光和一个促进光合束，入射到数字微镜器件，随后成像到三维样品台的基板上涂覆的具有双步双光子效应的光刻胶上；根据所需刻写结构控制所述数字微镜器件，完成所述基板所在焦面处的曝光，同时控制三维样品台，以及激发光和促进光的延时，使延时大于光刻胶分子的单重态的激发态S₁到多重态T₁，进而实现双步双光子效应，实现任意三维纳米结构的刻写；激发光和所述促进光为同一波长且重复频率相同的激光束，且激发光的脉宽为飞秒，所述促进光的脉宽为皮秒或者纳秒。

第一光源1的波长选取为532nm，重复频率为80MHz，脉宽为140fs，出射光直径为2mm；其中第二光源2的波长选取为532nm，重复频率为80MHz，脉宽为600ps，出射光直径为2mm。并且控制激发光和促进光的延时大于0.2纳秒，且激发光脉冲先于促进光照射在样品上。

实例中双步双光子效应的光刻胶的光引发剂材料为苯偶酰，其他混合物选取为癸二酸双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基-1-氧基)酯(BTPOS)和季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)，其中苯偶酰的质量分数为1.7wt％，癸二酸双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基-1-氧基)酯的质量分数为2.1wt％。光引发剂苯偶酰基态与三重态在不同波长下的吸收情况如图1中所示，其中三重态的消光系数统一除以了100，可以发现其基态在小于400nm波长范围内具有较大的吸收，三重态在高于400nm波长范围具有较大的吸收，并且基态在大于450nm左右不存在吸收，也就意味着在532fs激光束的作用下存在较好的双光子吸收现象，且基态不会实现单光子吸收。

作为另外一个方面，实现基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法的装置，如图2所示，包括第一光源1、第二光源2、延时模块3、合束模块4、扩束模块5、第一反射镜6、数字微镜器件7、第一透镜8、物镜9和三维样品台10；第一光源1发出激发光，第二光源2发出调制光，调制光经过延时模块3对其延时后，由合束模块将激发光和延时后的调制光合束，合束光经扩束模块进行扩束后，经过第二反射镜6后照射到数字微镜器件7上，经过第一透镜8与物镜9成像到三维样品台10上；通过数字微镜器件7、三维样品台10、延时模块3配合，完成任意三维图案的快速、高精度刻写。

实例中第二光源2发出激光束2后，经过延时模块3，实例中采取的是电子延时器(PSD-065-A-MOD，Micro photon devices)，控制第一光源1的延迟达到脉冲调制的功能，最小延时精度为10ps，范围为50ns。合束模块4如图3中所示，包括第一二分之一玻片11、第二二分之一玻片12、第二反射镜13、偏振分光棱镜14、四分之一玻片15。激光束2经过第二二分之一玻片12入射到偏振分光棱镜14中，转动二二分之一玻片12，调整激光束2的偏振态，使其透过率达到最大值。第一光源1发出激光束1后，经过第一二分之一玻片11和第二反射镜13与偏振分光棱镜14后，与激光束2合束形成合束光束。同样，调节第一二分之一玻片11，调整激光束1的偏振态，使其反射率达到最大值。

第一二分之一玻片11与第二二分之一玻片12与偏振分光棱镜14选取适用于532nm波长的玻片。此时的合束光由偏振态垂直的激光束1与激光束2组合，通过调节四分之一玻片15，使合束光在经过四分之一玻片15后成为圆偏振激光束1与激光束2的组合。并且，四分之一玻片15选取适用于532nm波长的玻片。

合束光随后进入扩束模块5中，其如图4所示，包括第二透镜16、小孔17、第三透镜18，小孔17位于第二透镜16和第三透镜18的焦面处，第二透镜16和第三透镜18用于对合束光进行扩束，小孔17用于对所述合束光进行滤波。

该实施例中，第二透镜16的焦距选取为50mm，第三透镜18的焦距选取为500mm，放大倍率为10倍，小孔17的直径选取为15μm，进而完成滤波与扩束。

合束光在经过第一反射镜6后以一定角度入射到数字微镜器件7，数字微镜器件7选取的是德国VIALUX公司的V-7001，像素为1024*768，适合于可见光波段，刷新率可达22Khz。当数字微镜器件7处于全开模式时，合束光经过第一透镜8与物镜9传播到三维样品台10，第一透镜8选取的是是型号为TTL200的套筒透镜，焦距为200mm，工作波段为450-700nm。数字微镜器件7、第一透镜8与物镜9满足4F成像关系，三维样品台10可以完成XYZ轴的运动，协助实现二维打印结构的拼接与三维图案快速、高精度的刻写。

开启第一光源1与第二光源2，通过延时模块3调节第一光源1与第二光源5脉冲的相对延时，实例中延时调节为2ns，并且飞秒光束脉冲在前，皮秒光束脉冲在后。随后，开启数字微镜器件7，调至关闭状态，此时合束光无法进入第一透镜8，进而无法达到成像面。

基板为硅片基底、K9玻璃基底或盖玻片基底。在基板上涂上具有双步双光子效应的光刻胶，并且放于物镜9的焦面处，光刻胶的光引发剂材料选取为苯偶酰，将具有双步双光子效应的光刻胶放置于三维样品台10后，根据所需刻写三维结构同时控制数字微镜器件7的面曝光图案与三维样品台10的位移情况，进而实现任意三维纳米结构的刻写。刻写过程中，利用合束光中两个脉冲光束先后照射到光刻胶中，使光刻胶中光引发剂先后实现双光子吸收与三重态吸收，完成类似三光子吸收效果，如图5中所示，实现比双光子吸收效应更小的刻写精度。且利用数字微镜阵列投影刻写的方式实现高通量二维面阵曝光，结合三维位移台在轴向高精度的位移，实现三维纳米结构的刻写，大幅提升刻写效率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法，其特征在于，将存在延时的一个激发光和一个促进光合束，入射到数字微镜器件，随后成像到三维样品台的基板上涂覆的具有双步双光子效应的光刻胶上；根据所需刻写结构控制所述数字微镜器件，完成所述基板所在焦面处的曝光，同时控制三维样品台，以及所述激发光和促进光的延时，使所述延时大于所述光刻胶分子的单重态的激发态S₁到多重态T₁，进而实现双步双光子效应，实现任意三维纳米结构的刻写；所述激发光和所述促进光为同一波长且重复频率相同的激光束，且所述激发光的脉宽为飞秒，所述促进光的脉宽为皮秒或者纳秒。

2.根据权利要求1所述的基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法，其特征在于，所述激发光和促进光的波长范围为400nm至800nm。

3.根据权利要求1所述的基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法，其特征在于，所述激发光和促进光的延时大于0.2纳秒，且所述激发光脉冲先于所述促进光照射在样品上。

4.根据权利要求1所述的基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法，其特征在于，所述双步双光子效应的光刻胶的光引发剂材料为苯偶酰、苯甲酮、二乙酰、螺[1,3,3-三甲基吲哚-(6'-硝基苯并二氢吡喃)]中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法，其特征在于，所述基板为硅片基底、K9玻璃基底或盖玻片基底。

6.一种实现权利要求1～5中任意一种基于双步双光子效应的高通量超分辨纳米刻写方法的装置，其特征在于，包括第一光源(1)、第二光源(2)、延时模块(3)、合束模块(4)、扩束模块(5)、第一反射镜(6)、数字微镜器件(7)、第一透镜(8)、物镜(9)和三维样品台(10)；所述第一光源(1)发出激发光，所述第二光源(2)发出调制光，所述调制光经过所述延时模块(3)对其延时后，由所述合束模块将所述激发光和延时后的调制光合束，合束光经所述扩束模块进行扩束后，经过第二反射镜(6)后照射到所述数字微镜器件(7)上，经过所述第一透镜(8)与所述物镜(9)成像到所述三维样品台(10)上；通过所述数字微镜器件(7)、所述三维样品台(10)、所述延时模块(3)配合，完成任意三维图案的快速、高精度刻写。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述合束模块(4)包括第一二分之一玻片(11)、第二二分之一玻片(12)、第二反射镜(13)、偏振分光棱镜(14)、四分之一玻片(15)；所述第一二分之一玻片(11)用于对延时后的调制光进行偏振态调制，使其经所述第二反射镜(13)反射进入所述偏振分光棱镜(14)后，所有能量发生反射；所述第二二分之一玻片(12)对激发光进行偏振态调制，使其经过所述偏振分光棱镜(14)后，所有能量发生透射；所述四分之一玻片(15)用于将激发光和调制光的偏振态调制为圆偏振。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述扩束模块(5)包括第二透镜(16)、小孔(17)、第三透镜(18)；所述小孔(17)位于所述第二透镜(16)和第三透镜(18)的焦面处，所述第二透镜(16)和第三透镜(18)用于对合束光进行扩束，所述小孔(17)用于对所述合束光进行滤波。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述延时模块(3)为电子延时器，其将第二光源(2)的同步信号延时后对第一光源(1)进行触发。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数字微镜器件(7)、所述第一透镜(8)、所述物镜(9)和所述三维样品台(10)满足4F成像关系，即所述数字微镜器件(7)与所述第一透镜(8)的距离等于所述第一透镜(8)的焦距，所述第一透镜(8)与所述物镜(9)的间距为两者焦距和，刻写时，所述三维样品台(10)位于物镜(9)的焦面处。

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