[發(fā)明專利]基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置

有效

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• 申請日: 2014-07-04
• 公開（公告）號: CN104111590A
• 公開（公告）日: 2014-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余俊杰;周常河;賈偉;盧炎聰;李樹斌
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光直寫裝置，特別是一種基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置。

背景技術(shù)

物鏡的聚焦光場三維空間分布可以說是激光直寫技術(shù)的核心。我們知道，對常規(guī)的光學(xué)系統(tǒng)而言，其分辨率R和焦深DOF與系統(tǒng)成像透鏡的數(shù)值孔徑NA緊密相關(guān)的，即R∝λ/NA，而成像系統(tǒng)的焦深DOF∝λ/NA²。在波長一定的情況下，一方面，要提高激光直寫的分辨本領(lǐng)，就必須提高系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA。然而，數(shù)值孔徑的提高，就意味著系統(tǒng)的焦深的急劇減小。焦深的急劇減小，就對自聚焦伺服系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。另一個(gè)提高系統(tǒng)分辨率的途徑是減小工作波長。然而，工作波長的減小，尤其到深紫外波段，由于沒有合適的光學(xué)材料，只好采用反射式光路結(jié)構(gòu)。反射式的光路對系統(tǒng)的像差矯正極為困難。如今，商業(yè)光刻技術(shù)中，波長已經(jīng)到了193nm，基本接近技術(shù)極限。于是，一些實(shí)現(xiàn)超越衍射極限的超分辨技術(shù)先后被提出，尤其是一些遠(yuǎn)場超分辨技術(shù)。更進(jìn)一步，在實(shí)現(xiàn)橫向超分辨同時(shí)，依然要求保證較大的軸向焦深。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，該裝置通過在常規(guī)激光直寫光路聚焦物鏡的入射光瞳處加入復(fù)合渦旋相位調(diào)制，可以在聚焦物鏡的后場產(chǎn)生雙瓣聚焦光斑，這可以使激光直寫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)百納米級橫向分辨率，同時(shí)擁有相對低數(shù)值孔徑聚焦下的焦深，因而對激光直寫系統(tǒng)性能提升有重要實(shí)用價(jià)值。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，構(gòu)成包括405納米藍(lán)光半導(dǎo)體激光器組成光路、650納米紅光半導(dǎo)體激光器組成光路和控制計(jì)算機(jī)及相關(guān)控制反饋系統(tǒng)；沿所述的405納米藍(lán)光半導(dǎo)體激光器輸出的光路上依次是第一準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡、圓偏振鏡片組、1/2波片、第一分束鏡、空間光調(diào)制器、第一透鏡、反射鏡、第二透鏡、二向色性分束鏡、第二分束鏡、孔徑光闌、聚焦物鏡、自聚焦伺服驅(qū)動(dòng)器、光刻樣品和電控二維移動(dòng)平臺；沿所述的650納米紅光半導(dǎo)體激光器輸出光路方向依次是第二準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡和所述的第二分束鏡，入射到所述光刻樣品上的反射光沿原路返回，在二向色性分束鏡的透射紅光方向依次是紅光收集透鏡、柱面鏡、四象限探測器；所述的圓偏振鏡片組包括起偏器和1/4波片；共焦透鏡組包括第一透鏡和第二透鏡；反射鏡在共焦透鏡組的第一透鏡的前焦面及第二透鏡的后焦面位置處，所述的孔徑光闌在第二透鏡的前焦面上，且第二透鏡的前焦面與聚焦物鏡的后焦面重合；所述的1/2波片是固定在電控旋轉(zhuǎn)臺上，其特點(diǎn)是在所述的第一分束鏡的反射光方向有空間光調(diào)制器，所述的空間光調(diào)制器與共焦透鏡組的第一透鏡的后焦面重合，所述的控制計(jì)算機(jī)與所述的電控旋轉(zhuǎn)臺、空間光調(diào)制器、四象限探測器、自聚焦伺服驅(qū)動(dòng)器和電控二維移動(dòng)平臺控制相連。

所述的405納米藍(lán)光半導(dǎo)體激光器和650納米紅光半導(dǎo)體激光器均為光纖耦合輸出單模激光器。

所述的第一分束鏡和第二分束鏡均實(shí)現(xiàn)50％反射、50％透射。

所述的二向色性分束鏡對405納米激光呈高效率反射，對650納米紅光呈高效率透射。

所述的電控旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)使所述的1/2波片的主光軸方向在0～2π范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

所述空間光調(diào)制器是純相位調(diào)制，所述的空間光調(diào)制器在入射光中加載的相位分布為復(fù)合渦旋相位分布；所述的復(fù)合渦旋相位分布的透過率函數(shù)滿足關(guān)系式

其中，為歸一化極坐標(biāo)；為相鄰環(huán)區(qū)初始延遲相位差；r_n為第n個(gè)環(huán)區(qū)的半徑，n＝1,2,…,N；N為環(huán)區(qū)的總數(shù)目；circ(r)為圓孔函數(shù)：