一种实现高通量并行激光扫描直写超分辨光刻的方法和装置
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超分辨光刻的方法和装置。
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超分辨光刻的方法，利用该方法可以产生实现高速扫描的高通量并行加工光束，并使用损耗光束提高光刻的分辨率，从而进行可突破衍射极限的并行激光直写光刻，大幅度提高了光刻分辨率、光刻速度与加工面积。
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超分辨光刻的方法，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)生成由多束附带0-2π涡旋相位的子光束组成的高通量并行损耗光束；
3)独立控制高通量并行刻写光束与高通量并行损耗光束中各子光束的通断；
4)将高通量并行刻写光束与高通量并行损耗光束合束产生高通量并行加工光束；
5)高通量并行加工光束通过高速转镜反射后，聚焦在光刻样品上，产生高通量并行实心刻写光斑和高通量并行空心损耗光斑；高通量并行加工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加工光束的水平反射方向，实现单周期水平方向并行扫描；利用受激发射损耗技术，突破衍射极限，提高光刻分辨率；
6)高通量并行加工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；
7)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在同一子午面内，为等角间隔单列排列；所述的高通量并行损耗光束在同一子午面内，为等角间隔单列排列。
进一步地，所述高通量并行刻写光束和高通量并行损耗光束的子光束数目相同且均转换为圆偏光后，对样品进行扫描光刻。
进一步地，所述高通量并行刻写光束与高通量并行损耗光束合束后，对应子光束的光轴互相重合。
进一步地，所述高通量并行实心刻写光斑与高通量并行空心损耗光斑的光斑数量相同，且各自对应的子光斑中心重合。
本发明的另一目的为提供一种高通量并行激光扫描直写超分辨光刻装置，该装置可用于实现上述方法。该装置将高通量并行刻写光束与高通量并行损耗光束合束产生高通量并行加工光束，并使用高速转镜反射高通量并行加工光束，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分辨率、加工速度和加工面积。
一种高通量并行激光扫描直写超分辨光刻装置，包括：
刻写激光光源，用于发出刻写激光；
刻写光束扩束整形装置，用于产生高质量的扩束、准直偏振刻写光；
刻写光束空间光调制器，用于产生由多束子光束组成的高通量并行刻写光束；
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；
损耗激光光源，用于发出损耗激光；
损耗光束扩束整形装置，用于产生高质量的扩束、准直偏振损耗光；
损耗光束空间光调制器，用于产生由多束附带0-2π涡旋相位的子光束组成的高通量并行损耗光束；
损耗光束多通道光开关装置，用于独立控制高通量并行损耗光束中各子光束的通断；
合束二向色镜，用于将高通量并行刻写光束与高通量并行损耗光束合束产生高通量并行加工光束；
高速转镜系统，用于实现高通量并行加工光束的水平扫描；
聚焦透镜系统，用于将高通量并行加工光束聚焦在光刻样品上，产生高通量并行实心刻写光斑与高通量并行空心损耗光斑；
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，刻写光束扩束整形装置包括依次置于光轴上的：用于产生线偏光的第一起偏器；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、第一小孔和第二透镜。其中所述第一透镜与第二透镜组成4f系统；所述第一小孔置于第一透镜与第二透镜的共焦位置。
进一步地，刻写光束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第一多通道声光调制器；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。所述第一多通道声光调制器放置于第三透镜后焦点处，第一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，损耗光束扩束整形装置包括依次置于光轴上的：用于产生线偏光的第二起偏器；用于调整光束偏振方向的第三二分之一波片；用于扩束与整形的第五透镜、第二小孔和第六透镜。其中所述第五透镜与第六透镜组成4f系统；所述小孔置于第五透镜与第六透镜的共焦位置。
进一步地，损耗光束多通道开关装置包括：用于将高通量损耗刻写光束转换为聚焦光的第七透镜；用于独立控制高通量并行刻写光束中各子光束通断的第二多通道声光调制器；用于将高通量并行损耗光束恢复为准直光束的第八透镜；用于旋转偏振方向的第四二分之一波片；用于将高通量并行刻写光束转换为圆偏光的第二四分之一波片。其中，所述第七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七透镜后焦点处，多通道声光调制器的通道数量与高通量并行损耗光束的子光束数量相同，并且损耗光束的子光束数量与刻写光束的子光束数量相同。各损耗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，高速转镜系统包括：用于实现使高通量并行加工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，聚焦透镜系统包括：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系统，将高速转镜的反射镜面共轭于物镜入瞳面位置。
进一步地，刻写光束空间光调制器调制产生10束等角间隔出射光束。
进一步地，损耗光束空间光调制器调制产生10束等角间隔出射光束。
进一步地，高通量并行加工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，物镜为复消色差物镜。
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：
激光直写加工的分辨率取决于聚焦产生的有效光刻光斑的大小，而普通激光直写加工光刻光斑的尺寸受限于光学衍射极限。受激发射损耗技术可以借助一束损耗光，来减小光刻光斑的有效大小，从而突破光学衍射极限的限制，提高激光直写加工的分辨率。因此，本发明使用受激发射损耗技术，可以在不牺牲激光直写速度的前提下，提高光刻的分辨率。
样品平移运动机构与高速转镜系统联动控制，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加工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系统，独立控制每束刻写子光束与损耗子光束的通断，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)在每束加工子光束中都应用了受激发射损耗技术，突破了光学衍射极限，提高了光刻的分辨率；
3)高速转镜扫描，实现了高速扫描加工；
4)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超分辨光刻装置的示意图；
图2为本发明中高通量并行实心刻写光斑的分布示意图；
图3为本发明中高通量并行空心损耗光斑的分布示意图；
图4为本发明中合束后的高通量并行加工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。
本发明由两种激光器分别产生直写光束与损耗光束，经由各自光路的空间光调制器调制，分别产生高通量并行刻写光束与高通量并行损耗光束。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。利用二色镜将高通量并行刻写光束与高通量并行损耗光束合束，再通过高速转镜反射，最后，经后续透镜聚焦，在样品中产生突破衍射极限的高通量并行刻写聚焦光斑与高通量并行损耗光斑。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超分辨光刻装置包括：刻写光激光器1，第一起偏器2，第一二分之一波片3，第一透镜4，第一小孔5，第二透镜6，刻写光空间光调制器7，第三透镜8，刻写光多通道声光调制器9，第四透镜10，第二二分之一波片11，第一四分之一波片12，损耗光激光器13，第二起偏器14，第三二分之一波片15，第五透镜16，第二小孔17，第六透镜18，损耗光空间光调制器19，第七透镜20，损耗光多通道声光调制器21，第八透镜22，反射镜23，第四二分之一波片24，第二四分之一波片25，二向色镜26，高速转镜27，扫描透镜28，场镜29，分束镜30，物镜31，光刻样品架32，压电位移平台33，照明光源34，准直透镜35，半透半反镜36，成像透镜37，光电图像采集器38。其中装置1-12用于产生可控制子光束通断的高通量并行刻写光束，13-25用于产生可控制子光束通断的高通量并行损耗光束。
采用图1所示的装置，实现高通量激光扫描直写超分辨光刻的方法如下：
刻写光激光器1发出波长为780nm的直写光束，经过第一起偏器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刻写光空间光调制器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、第一小孔5和第二透镜6入射到刻写光空间光调制器7上。第一透镜4和第二透镜6将入射光束扩束准直。第一小孔5进行空间滤波，滤除边缘杂散光，提高光束质量。在刻写光空间光调制器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聚焦后通过刻写光多通道声光调制器9，再经过第四透镜10还原为多束准直光束。其中，刻写光多通道声光调制器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刻写光多通道声光调制器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。刻写光多通道声光调制器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刻写光多通道声光调制器9的调制宽度要求。
损耗光激光器13发出波长为532nm的损耗光束，经过第二起偏器14和第三二分之一波片15，成为线偏光。第三二分之一波片15用来旋转光束的偏振方向，使光束的偏振方向与损耗光空间光调制器19要求的可调制入射偏振方向相一致。线偏光经过第五透镜16、第二小孔17和第六透镜18入射到损耗光空间光调制器19上。第五透镜16和第六透镜18将入射光束扩束准直。第二小孔17进行空间滤波，滤除边缘杂散光，提高光束质量。在损耗光空间光调制器19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，并在每束光束上加载一个0-2π涡旋相位，生成高通量并行列损耗光。高通量并行列损耗光的子光束数量同高通量并行列刻写光的子光束数量相同。
高通量并行损耗光束经第七透镜20聚焦后通过损耗光多通道声光调制器21，再经过第八透镜22还原为多束准直光束。其中，损耗光多通道声光调制器21放置于第七透镜20的焦点处，且保证各损耗子光束可以入射损耗光多通道声光调制器21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。损耗光多通道声光调制器21的通道数量与高通量并行损耗光束的子光束数量相同，且高通量并行损耗光束的子光束数量与高通量并行刻写光束的子光束数量相同。每束损耗子光束被缩束的宽度满足损耗光多通道声光调制器21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和第一四分之一波片12，将各子光束由线偏光转换为圆偏光；高通量并行损耗光束由反射镜23反射后，经过第四二分之一波片24和第二四分之一波片25，将各子光束由线偏光转换为圆偏光。高通量并行刻写光束与高通量并行损耗光束的各子光束以相同角度到达二向色镜26，并在此合束产生高通量并行加工光束。其中，二向色镜26透射780nm波长光束，反射532nm波长光束。
高通量并行加工光束的各子光束入射到高速转镜27的同一点上。其中，高通量并行加工光束的子光束排列方向与高速转镜27的旋转轴指向方向一致，与高速转镜27的旋转面垂直。反射光经由组成4f系统的扫描透镜28和场镜29，再通过分束镜30，最后聚焦于物镜31的焦面上。合束组成高通量并行加工光束的高通量并行刻写光束与高通量并行损耗光束分别在物镜31的焦面上聚焦产生高通量并行刻写光斑与高通量并行损耗光斑。
在高通量并行激光扫描直写超分辨光刻装置工作时，高速转镜27旋转，改变高通量并行加工光束的水平反射方向，引起物镜31焦面上高通量并行刻写光斑与高通量并行损耗光斑的水平移动，实现多光束并行扫描直写。其中，高通量并行刻写光斑为实心光斑纵列，如图2所示；高通量并行损耗光斑为空心光斑纵列，如图3所示。物镜31为复消色差物镜，高通量并行刻写光斑各实心子光斑的几何中心与高通量并行损耗光斑各空心子光斑的几何中心相重合。每个空心光斑通过抑制对应实心光斑的作用区域，减小实心光斑的有效直写光刻尺寸，实现超分辨光刻。
光刻样品架32与压电位移平台33相连，光刻样品固定在光刻样品架32上并置于物镜31的焦面位置。在高通量并行激光扫描直写超分辨光刻装置工作时，压电位移平台33带动光刻样品架32进行三维平移运动，将样品位置调整到光刻位置。高速转镜27旋转完成单周期水平方向并行扫描后，压电位移平台33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，并配合刻写光多通道声光调制器9、损耗光多通道声光调制器21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33带动光刻样品32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34发出波长590nm的照明光，经准直透镜35准直后，由半透半反镜36反射到分束镜30，再由分束镜30反射至物镜31，由物镜31聚焦于样品中进行照明。照明光经样品反射，依次经过物镜31，分束镜30，半透半反镜36，由成像透镜37汇聚于光电图像采集器38。其中，分束镜30为带反分束镜，透射780nm刻写光与532nm损耗光，反射590nm照明光。光电图像采集器38接收样品反射的照明光，对光刻进程进行实时成像监控。
图4显示的是高通量并行加工光束相对于高速转镜的位置关系及高速转镜的扫描方式。高通量并行加工光束39在同一子午面内等角度间隔分布，汇聚于转镜反射面40一点。经转镜反射面41反射进入后续光路。当转镜旋转轴41带动转镜沿箭头42方向旋转时，高通量并行加工光束39与转镜反射面40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41沿竖直方向布置，高通量并行刻写光束(与损耗光束)各子光束亦沿竖直方向排列，与转镜旋转轴41的方向相同，垂直于表示转镜旋转方向的箭头42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。
