[發明專利]一種可實現長焦深小焦斑結構的高效率激光直寫光刻方法

有效

• 申請號: 201911069488.2
• 申請日: 2019-11-05
• 公開（公告）號: CN110837215B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 王思沫;嚴偉;史立芳;李凡星;彭伏平;杜佳林
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種可實現長焦深小焦斑結構的高效率激光直寫光刻方法，其特征在于：在掃描中使用二維振鏡系統，激光束入射到二維振鏡系統上，二維振鏡系統的X軸振鏡和Y軸振鏡分別在兩個驅動器驅動下產生角度偏轉，入射徑向偏振光經二維振鏡系統后斜入射經由掃描透鏡和套筒透鏡構成的遠心系統，再經純相位型二元光學元件(DOE)進行位相調制，最后經高數值孔徑顯微物鏡緊聚焦后在像平面形成長焦深小焦斑的“光針”結構，該“光針”可以在光刻膠平面的一定范圍內的任意位置移動，實現光學掃描，具體步驟如下：

步驟一：將二維振鏡系統的X軸振鏡的中心、掃描透鏡、套筒透鏡、DOE、高數值孔徑顯微物鏡調節至同軸等高，然后將二維振鏡系統的X軸振鏡的中心與掃描透鏡的物方焦點重合，掃描透鏡的像方焦點與套筒透鏡的物方焦點重合，套筒透鏡的物方焦點與高數值孔徑顯微物鏡的物方焦點重合，孔徑光闌和DOE位于高數值孔徑顯微物鏡的物方焦點處，搭建好光路后，開始正式光學掃描；

步驟二：開始進行掃描，其中X軸振鏡和Y軸振鏡的偏轉角度范圍均為-10°到+10°，f₁、f₁'分別代表掃描透鏡的物方焦距和像方焦距，f₂、f₂'分別代表套筒透鏡的物方焦距和像方焦距，f₃、f₃'分別代表高數值孔徑顯微物鏡的物方焦距和像方焦距，假設各個元器件均位于空氣介質中且掃描透鏡和套筒透鏡的焦距相等，AB代表入射光的主光線，當X軸振鏡偏轉角度為45°時，“光針”位于光軸位置；當X軸振鏡偏轉角度為α時，其中40°≤α＜45°，入射光斜入射到DOE的角度為θ，其中10°≤θ＜0°，“光針”此時位于距光軸-h'處，當X軸振鏡的偏轉角度從45°遞減到α過程中，“光針”的位置由光軸移動到-h'；

步驟三：當X軸振鏡的偏轉角度為α₁時，其中45°＜α₁≤50°，入射光斜入射到DOE的角度為θ₁(其中0°＜θ₁≤10°)，“光針”此時位于距光軸h'處，當振鏡的偏轉角度從45°遞增到α₁時，“光針”的位置由光軸移動到h'處，通過X軸和Y軸振鏡驅動器控制二維振鏡系統角度的偏轉即可實現“光針”在整個像平面上的光學掃描；

步驟四：徑向偏振光依次經二維振鏡系統、掃描透鏡、套筒透鏡后，斜入射經DOE和高數值孔徑顯微物鏡后，在像平面附近產生長焦深小焦斑的“光針”結構。

2.根據權利要求1所述的可實現長焦深小焦斑結構的高效率激光直寫光刻方法，其特征在于：通過模擬退火算法優化DOE的環帶數量和各個環帶的半徑，使用優化后的DOE使“光針”的焦深延長，焦斑壓縮。

3.根據權利要求1所述的可實現長焦深小焦斑結構的高效率激光直寫光刻方法，其特征在于：選擇數值孔徑為0.95的高數值孔徑顯微物鏡，衡量激光直寫光刻主要的兩個參數為焦深和分辨力，徑向偏振光經高數值孔徑顯微物鏡緊聚焦，得到“光針”結構，再通過DOE進行位相調制，超越衍射極限，使“光針”的焦深進一步延長，焦斑進一步壓縮。

4.根據權利要求1所述的可實現長焦深小焦斑結構的高效率激光直寫光刻方法，其特征在于：入射徑向偏振光斜入射到DOE，當斜入射的角度在-10°到+10°范圍之內時，經仿真發現，“光針”的焦深、分辨力、均勻性均不受影響，這一特性為光學掃描系統應用于激光直寫光刻的一重要前提。

5.根據權利要求1所述的可實現長焦深小焦斑結構的高效率激光直寫光刻方法，其特征在于：在掃描系統中使用二維振鏡系統，該二維振鏡系統由光學反射鏡、基于振鏡的掃描電機和探測器構成，其中光學反射鏡安裝在旋轉軸上，探測器為控制板提供光學反射鏡的位置反饋，該二維振鏡系統的掃描電機的移動磁體設計采用一個固定的磁鐵和旋轉線圈，這樣能提供最快的響應時間和最高的系統共振頻率，通過使用電機外殼的光學傳感系統來編碼反射鏡的位置。