CN118244589A - 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，在光路传播方向上依次包括激光器、偏振相位联合调制模块和扫描直写模块，其中，所述偏振相位联合调制模块在光路传播方向上依次包括第一半波片、偏振分光棱镜、第二半波片、涡旋波片和螺旋相位片。

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

激光直写技术具有高精度与高灵活性等优点，适用于复杂3D结构刻写，在三维微纳光学器件制造中发挥着重要作用。

双光子激光直写光刻过程中，衬底通常选择硅片等高折射率材料，飞秒激光透过光刻胶射至衬底上后会产生较强反射，反射光会重新返回至光刻胶内部。由于该反射光与入射光的振动频率、方向相同，相位差恒定，因此该反射光与入射光在光刻胶内会形成稳定的干涉场(驻波)，导致在光刻胶内部光强分布不均匀，呈现出交替的亮、暗区域。亮、暗区域表明飞秒激光强度的大小，光强大的区域发生较多光化学聚合反应，相对的，光强较弱的区域发生较少聚合反应，导致光刻胶纵向多位置曝光聚合。驻波效应引起的纵向多位置曝光聚合会在光刻胶剖面上形成明显的起伏结构，并且导致纵向曝光线条强度与粘附性不够，后续会在显影过程中随机脱落。综上，驻波的存在会在刻写过程中对三维微纳结构造成失真与破坏。

目前抑制驻波效应的方法有两种，第一种称为PEB(post-Exposure Bake)，是指在曝光后进行适当的烘烤，高温促进光敏剂的扩散，一定程度上弥补了光强分布不均，可以在显影过程中得到更加均匀的剖面。这种方法的作用效果有限，而且无法解决刻线脱落导致的三维微纳结构被破坏的问题。此外过度的高温烘烤也会破坏三维微纳结构。第二种方法是在衬底涂抗反射膜，再在抗反射膜上涂覆或滴上光刻胶，从而减小光在衬底上的反射。抗反射膜的理想厚度应该是光波长的四分之一，从而实现反射光强度的最小化，因此该方法对抗反射膜的旋涂精度要求较高，加工难度大，提高了激光直写加工的成本。

发明内容

基于此，有必要针对驻波效应引起的三维微纳结构质量下降的问题，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，在光路传播方向上依次包括激光器、偏振相位联合调制模块和扫描直写模块，其中，所述偏振相位联合调制模块在光路传播方向上依次包括第一半波片、偏振分光棱镜、第二半波片、涡旋波片和螺旋相位片。

本发明所述偏振相位联合调制模块还包括位于所述第二半波片和所述涡旋波片之间的第一反射镜。

本发明所述扫描直写模块在光路传播方向上依次包括扫描透镜、场镜、物镜、样品台和位移台。

本发明所述扫描直写模块还包括振镜，所述振镜位于所述螺旋相位片和所述扫描透镜之间，所述位移台为压电位移台，所述激光直写装置还包括控制器，所述振镜和所述位移台均电连接至所述控制器。

本发明所述激光直写装置还包括声光调制器，所述声光调制器电连接至所述控制器。

本发明所述扫描直写模块还包括位于所述场镜和所述物镜之间的二向色镜，所述激光直写装置还包括成像模块，所述成像模块包括相机和第三透镜，所述相机和所述第三透镜位于所述二向色镜的侧面，且所述第三透镜位于所述相机和所述二向色镜之间。

本发明所述扫描直写模块还包括位于所述二向色镜和所述物镜之间的非偏振分光棱镜，所述激光直写装置还包括照明模块，所述照明模块包括照明光源、第四透镜和第三反射镜，所述照明光源、所述第四透镜和第三反射镜位于所述非偏振分光棱镜的侧面，所述照明光源依次通过所述第四透镜和所述第三反射镜将光线射向所述非偏振分光棱镜。

本发明所述激光直写装置还包括位于所述激光器和所述第一半波片之间的扩束模块，所述扩束模块在光路传播方向上依次包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜之间设置有小孔。

本发明所述激光直写装置还包括位于所述第二透镜和所述第一半波片之间的第二反射镜。

一种激光直写方法，包括：

使用第一半波片和偏振分光棱镜对激光器出射激光的偏振态进行纯化；

使用第二半波片改变纯化后所述激光的偏振角度；

使偏振角度改变后的激光依次穿过涡旋波片和螺旋相位片，以获得角向偏振涡旋光。

角向偏振涡旋光依次经过振镜、扫描透镜、场镜、二向色镜、非偏振分光棱镜和物镜，而后聚焦在样品台表面的光刻胶上，通过控制声光调制器、振镜和位移台实现三维刻写；

照明光源发出的光对样品面进行照明，由相机观测物镜焦平面中能量分布情况、监控激光直写过程并观察刻写结果。

本发明的有益效果为：

本发明通过偏振结合相位的矢量光场复合调控，利用角向偏振涡旋光在反射过程中的拓扑电荷反向特性，在焦平面附近形成纵向无驻波效应的超衍射极限聚焦光斑，因此在光刻胶上加工三维结构时不会受到驻波效应的影响，减少实际刻写结构与设计结构之间的偏差。

本发明偏振相位联合调制模块的光路稳定，易于迁移。

采用本发明的激光直写装置进行三维微纳结构加工，相比于传统的PEB方式抑制驻波效应更加有效可控，不会对已加工的微纳结构造成影响。相较抗反射涂层方式而言成本更低，加工方式更加简洁。

附图说明

图1为本发明实施例1中激光直写装置的平面结构示意图；

图2为本发明实施例1中物镜入瞳处入射光的偏振分布图；

图3为本发明实施例1中当角向偏振涡旋光经过物镜经聚焦后在焦点附近纵向yz平面内的能量分布图；

图4为本发明实施例1中当角向偏振涡旋光经过物镜经聚焦后在焦平面横向xy平面内的能量分布图；

图5为本发明对比实施例1中激光过物镜经聚焦后焦点附近在纵向yz平面内的能量分布图。

附图标记：

1、激光器；21、第一透镜；22、小孔；23、第二透镜；31、第一半波片；32、偏振分光棱镜；33、第二半波片；34、第一反射镜；35、涡旋波片；36、螺旋相位片；41、振镜；42、扫描透镜；43、场镜；44、二向色镜；45、非偏振分光棱镜；46、物镜；47、样品台；48、位移台；5、声光调制器；6、第二反射镜；71、相机；72、第三透镜；81、照明光源；82、第四透镜；83、第三反射镜。

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1：

参见图1，本实施例提供了一种激光直写装置，在光路传播方向上依次包括激光器1、声光调制器5、扩束模块、偏振相位联合调制模块和扫描直写模块。激光直写装置还包括控制器。

本实施例中激光器1发出的激光为飞秒激光，单脉冲持续时间约为200fs，用于提供光刻胶发生非线性双光子吸收的必要条件。声光调制器5电连接至控制器，通过控制器输出相应的电压从而对激光器1输入主光路激光的平均功率进行控制调节。相应地，激光器1发出的光波长匹配声光调制器5的工作波长。激光器1和声光调制器5共同形成了激光输出模块。

扫描直写模块至少包括物镜46和样品台47，扩束模块的主要作用是优化飞秒激光的光斑模式并扩大光斑直径，使得激光光斑最终能充分覆盖物镜46的入瞳面，实现对物镜46数值孔径的充分利用，进而对样品台47上的光刻胶进行曝光聚合。其中激光在经过扩束模块的优化处理后，还需要经过偏振相位联合调制模块的调制作用，才能进入扫描直写模块。

其中，偏振相位联合调制模块包括第一半波片31、偏振分光棱镜32、第二半波片33、涡旋波片35和螺旋相位片36，第一半波片31、偏振分光棱镜32、第二半波片33、涡旋波片35和螺旋相位片36在光路传播方向上依次设置。第一半波片31、第二半波片33、涡旋波片35和螺旋相位片36均安装在可旋转的光学镜架上，从而绕各自对应的光轴进行旋转。

第一半波片31可以通过绕自身光轴旋转，调节入射激光的偏振角度。而后激光射向偏振分光棱镜32，激光中的垂直偏振分量被偏振分光棱镜32反射，激光中的水平偏振分量透射偏振分光棱镜32，由此在第一半波片31和偏振分光棱镜32的配合作用下能够实现纯化激光中偏振状态并调节激光强度的目的，便于进行后续偏振控制。

激光在经过偏振分光棱镜32后在第二半波片33的作用下再次改变偏振角度，能够配合涡旋波片35产生角向偏振矢量激光。生成的角向偏振矢量激光通过螺旋相位片36加载了涡旋相位，最终形成了角向偏振涡旋光。该角向偏振涡旋光最终被物镜46聚焦至样品台47上的光刻胶，使光刻胶上对应位置发生聚合反应。

优选的，偏振相位联合调制模块还包括位于第二半波片33和涡旋波片35之间的第一反射镜34，激光在通过第二半波片33改变偏振角度后先射向第一反射镜34，再通过第一反射镜34反射至涡旋波片35，以此优化光路传播方向和偏振相位联合调制模块的空间排布方式，减少偏振相位联合调制模块额外占用的空间大小。

扩束模块具***于激光器1和第一半波片31之间。本实施例中扩束模块包括第一透镜21和第二透镜23，第一透镜21和第二透镜23在光路传播方向上依次设置，其中第一透镜21和第二透镜23之间设置有小孔22。激光器1发出的激光依次经过第一透镜21、小孔22和第二透镜23射向第一半波片31。其中小孔22可以起到空间滤波作用，扩束模块通过小孔22的衍射作用实现对光斑模式的优化。第一透镜21和第二透镜23则能配合实现对光斑直径的放大，放大倍数为第二透镜23焦距和第一透镜21焦距的比值。本实施例中通过将小孔22设置在第一透镜21和第二透镜23之间的方式，使得扩束模块同时兼具优化光斑模式和扩增光斑直径的效果。

优选的，激光直写装置还包括位于第二透镜23和第一半波片31之间的第二反射镜6。第二透镜23出射的激光经由第二反射镜6反射至第一半波片31，在第二反射镜6和第一反射镜34的配合作用下，提升了整个激光直写装置的结构对称性。

扫描直写模块还包括振镜41、扫描透镜42、场镜43和位移台48，扫描透镜42、场镜43、物镜46、样品台47和位移台48在光路传播方向上依次设置。样品台47放置在位移台48上，通过控制器控制声光调制器5开关和振镜41旋转，以及位移台48控制样品台47的移动，以此改变物镜46焦点处激光能量，以及焦点与样品台47上光刻胶之间的相对位置，改变光刻胶发生聚合反应的位置，以此实现三维扫描直写型光刻。

振镜41位于螺旋相位片36和扫描透镜42之间，同时位移台48为压电位移台，振镜41和位移台48均电连接至控制器。扫描流程如下：由振镜41进行扫描，然后位移台48横向移动到下一个位置，再由振镜41进行扫描；在完成一个平面的刻写后，位移台48纵向移动到下一个位置，重复上述的刻写过程。

为了便于寻焦与观察刻写结果，激光直写装置还包括成像模块。具体到本实施例中，成像模块包括相机71和第三透镜72，与之匹配的，扫描直写模块还包括二向色镜44，二向色镜44位于场镜43和物镜46之间，场镜43、二向色镜44和物镜46沿一直线依次设置。相机71和第三透镜72并未设置在场镜43、二向色镜44和物镜46所在的直线上，而是位于二向色镜44的侧面，其中第三透镜72位于相机71和二向色镜44之间。当然，二向色镜44的工作波长同样需要匹配激光器1的发射波长。光线照射至样品台47上后会反射光经过二向色镜44，然后再由二向色镜44进行反射，经过第三透镜72的汇聚作用在相机71处形成图像，从而进行观测。

本实施例优选的，激光直写装置还包括照明模块，照明模块的作用是提供不同于激光器1工作波长的光线对加工区域进行照明，从而实现对刻写过程的监控和刻写结果的成像。具体地，照明模块包括照明光源81、第四透镜82和第三反射镜83，扫描直写模块还包括位于二向色镜44和物镜46之间的非偏振分光棱镜45，非偏振分光棱镜45位于二向色镜44和物镜46所在的直线上。照明光源81、第四透镜82和第三反射镜83同样并未设置在二向色镜44和物镜46所在的直线上，而是位于非偏振分光棱镜45的侧面。照明光源81发出的光线经过第四透镜82进行准直后射向第三反射镜83，然后再由第三反射镜83将其反射向非偏振分光棱镜45，非偏振分光棱镜45再将该光线反射至物镜46，从而射向位移台48。该光线在位移台48的反射作用下重新通过物镜46和非偏振分光棱镜45射向二向色镜44，最终达到相机71，由此更容易观测角向偏振涡旋光在物镜46焦平面中能量分布情况，从而监测激光直写过程。

其中第三反射镜83能够使照明模块和扫描直写模块之间的空间分布更为合理，减少照明模块额外占用的空间。

对应的，本实施例还提供了一种激光直写方法，其基于前述激光直写装置，所述激光直写方法依次包括如下步骤：

步骤101：激光器1发出的激光依次经过第一透镜21、小孔22和第二透镜23进行光斑模式优化和光斑直径扩增，而后射向第二反射镜6，在第二反射镜6的反射作用下首先射向第一半波片31，再从第一半波片31出射至偏振分光棱镜32，由第一半波片31和偏振分光棱镜32对激光的偏振态进行纯化；

步骤102：偏振分光棱镜32处出射的激光射向第二半波片33，由第二半波片33改变激光的偏振角度；

步骤103：第二半波片33处出射的激光射向第一反射镜34，然后由第一反射镜34反射至涡旋波片35，再从涡旋波片35出射至螺旋相位片36，依次获得角向偏振涡旋光；

步骤104：角向偏振涡旋光依次经过振镜41、扫描透镜42、场镜43、二向色镜44、非偏振分光棱镜45和物镜46聚焦在样品台47上的光刻胶上，控制声光调制器5、振镜41和位移台48从而实现三维刻写；

其中物镜46处入射激光的偏振Jones矩阵在笛卡尔坐标系可以表示为经过物镜46折射后，其电场|E_∞>可以表示为：其中，E_inc表示入射激光的复振幅，n_θ和/>为球坐标系下的单位矢量，θ为发散角，/>为角向坐标，n₁和n₂为聚焦前后两种介质的折射率。由于物镜46的一部分浸泡在光刻胶中，因此n₁为光刻胶的折射率，具体到本实施例中为1.518，n₂则为硅衬底的折射率，具体为3.88。

其中，

结合以上定义，物镜46折射后电场|E_∞>角谱的角谱表示形式为：

其中，k_x，k_y和k_z分别代表三个方向的空间频率，同时满足 和k_z＝kcosθ，k为激光在介质中的波矢。

结合紧聚焦矢量衍射积分公式，可以推导出经过高数值孔径的物镜46聚焦后，在焦平面附近的电场：

其中，f为物镜的焦距。

通过引入广义菲涅尔系数，经样品台47反射后的电场形式：

其中，

其中，(r^p,r^s)为广义菲涅尔系数，其与衬底介质的介电常数和磁导率相关，z₀为焦平面(实际刻写面)与样品台47(反射面)之间的距离。因此，我们可以获得入射激光与反射激光干涉形成的驻波场：|E_f(x,y,z)>+|E_r(x,y,z)>。

本实施例中物镜46的数值孔径NA＝1.45，折射率n₁＝1.518。物镜46处入射光为高斯分布，并且为角向偏振，其Jones矩阵为其偏振在横向xy平面内分布方式如图2(拓扑电荷m＝1的涡旋相位分布形式)所示。

在此基础上，在光刻胶中选取三个位置进行飞秒激光在焦平面附近的能量分布仿真，仿真结果参见图3。其中图3(a)对应样品面(样品面和样品台47之间的间距始终固定)和焦平面重合，即间距为0的情况，图3(b)对应样品面和焦平面之间间距为0.5倍波长的情况，图3(c)对应样品面和焦平面间距为2倍波长的情况，不难发现，激光能量整体呈高斯分布，无明显明暗交替情况的发生，由此证明本实施例有效抑制焦平面附近的驻波效应。

参见图4，其中图4(a)对应样品面和焦平面重合的情况，图4(b)对应样品面和焦平面相距0.5倍波长的情况，图4(c)对应样品面和焦平面相距2倍波长的情况，角向偏振涡旋光在横向上能量分布整体呈现实心分布，证明其适用于激光直写。

步骤105：照明光源81发出的光线依次经由第四透镜82的准直和第三反射镜83的反射照射至非偏振分光棱镜45，而后由非偏振分光棱镜45将光线反射至物镜46，而后照射至位移台48进行反射，反射的光线依次经过物镜46和非偏振分光棱镜45达到二向色镜44并被二向色镜44反射，然后在第三透镜72的聚焦作用下到达相机71，由相机71观测物镜46焦平面中能量分布情况、监控激光直写过程和观察刻写结果。

对比实施例：

本对比实施例与实施例1的区别在于，移除了偏振相位联合调制模块，即不施加任何振幅相位偏振调制。

参见图5，其中图5(a)对应样品面和焦平面重合的情况，图5(b)对应样品面和焦平面相距0.5倍波长的情况，图5(c)对应样品面和焦平面相距2倍波长的情况，不难发现，在光传输方向上能量分布存在强弱，即产生了驻波，导致激光直写的三维结构存在分层和以及与设计不符的情况。

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，在光路传播方向上依次包括激光器(1)、偏振相位联合调制模块和扫描直写模块，其中，所述偏振相位联合调制模块在光路传播方向上依次包括第一半波片(31)、偏振分光棱镜(32)、第二半波片(33)、涡旋波片(35)和螺旋相位片(36)。

2.根据权利要求1所述的激光直写装置，其特征在于，所述偏振相位联合调制模块还包括位于所述第二半波片(33)和所述涡旋波片(35)之间的第一反射镜(34)。

3.根据权利要求1所述的激光直写装置，其特征在于，所述扫描直写模块在光路传播方向上依次包括扫描透镜(42)、场镜(43)、物镜(46)、样品台(47)和位移台(48)。

4.根据权利要求3所述的激光直写装置，其特征在于，所述扫描直写模块还包括振镜(41)，所述振镜(41)位于所述螺旋相位片(36)和所述扫描透镜(42)之间，所述位移台(48)为压电位移台，所述激光直写装置还包括控制器，所述振镜(41)和所述位移台(48)均电连接至所述控制器。

5.根据权利要求4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声光调制器(5)，所述声光调制器(5)电连接至所述控制器。

6.根据权利要求3所述的激光直写装置，其特征在于，所述扫描直写模块还包括位于所述场镜(43)和所述物镜(46)之间的二向色镜(44)，所述激光直写装置还包括成像模块，所述成像模块包括相机(71)和第三透镜(72)，所述相机(71)和所述第三透镜(72)位于所述二向色镜(44)的侧面，且所述第三透镜(72)位于所述相机(71)和所述二向色镜(44)之间。

7.根据权利要求6所述的激光直写装置，其特征在于，所述扫描直写模块还包括位于所述二向色镜(44)和所述物镜(46)之间的非偏振分光棱镜(45)，所述激光直写装置还包括照明模块，所述照明模块包括照明光源(81)、第四透镜(82)和第三反射镜(83)，所述照明光源(81)、所述第四透镜(82)和第三反射镜(83)位于所述非偏振分光棱镜(45)的侧面，所述照明光源(81)依次通过所述第四透镜(82)和所述第三反射镜(83)将光线射向所述非偏振分光棱镜(45)。

8.根据权利要求1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于所述激光器(1)和所述第一半波片(31)之间的扩束模块，所述扩束模块在光路传播方向上依次包括第一透镜(21)和第二透镜(23)，所述第一透镜(21)和所述第二透镜(23)之间设置有小孔(22)。

9.根据权利要求8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于所述第二透镜(23)和所述第一半波片(31)之间的第二反射镜(6)。

10.一种激光直写方法，其特征在于，包括：

使用第一半波片(31)和偏振分光棱镜(32)对激光器(1)出射激光的偏振态进行纯化；

使用第二半波片(33)改变纯化后所述激光的偏振角度；

使偏振角度改变后的激光依次穿过涡旋波片(35)和螺旋相位片(36)，以获得角向偏振涡旋光；

角向偏振涡旋光依次经过振镜(41)、扫描透镜(42)、场镜(43)、二向色镜(44)、非偏振分光棱镜(45)和物镜(46)，而后聚焦在样品台(47)表面的光刻胶上，通过控制声光调制器(5)、振镜(41)和位移台(48)实现三维刻写；

照明光源(81)发出的光对样品面进行照明，由相机(71)观测物镜(46)焦平面中能量分布情况、监控激光直写过程并观察刻写结果。