[發明專利]一種雙掩膜高通量激光超分辨激光直寫方法和裝置

有效

• 申請號: 202110048105.4
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112731776B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 匡翠方;溫積森;劉旭;丁晨良;朱大釗
• 申請（專利權）人: 之江實驗室;浙江大學
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明提供了一種雙掩膜高通量激光超分辨激光直寫方法和裝置，包括偏振控制模塊、準直擴束系統、激發光束陣列掩膜、偏振分光鏡、四光束干涉形成的抑制光虛擬掩膜、聚焦高數值孔徑物鏡以及三維可控精密位移臺等主要裝置，所述的空間光調制器實時連續加載不同的計算全息圖實現激發光束陣列子光束的開光，從而實現不同圖案的直寫。四光束兩兩呈一定角度干涉形成光學掩膜作為抑制光陣列，從而提高直寫分辨率。這使得該系統的直寫效果更加豐富，直寫效率與分辨率進一步提高，有效解決了現有激光直寫系統直寫速度慢分辨率低等問題。

技術領域

本發明涉及光學技術領域，具體涉及一種雙掩膜高通量激光超分辨激光直寫方法和裝置。

背景技術

激光直寫技術在半導體制造中日趨重要，同時在光學衍射元件、三維功能型傳感器、生物醫學光子學等領域發揮關鍵的作用。激光直寫技術的發展直接影響高端芯片、傳感器等制造。目前激光直寫技術主要包括有掩膜和無掩膜技術兩種。無掩模技術中主要包括電子束直寫光刻、激光直寫光刻等。激光直寫光刻技術擁有低成本、使用環境友好等優勢被人們廣泛研究。然而，在高精度、大面積光刻的發展趨勢下，直寫速度的提升，是超分辨激光直寫技術走向產業應用的必要要求，刻寫效率是非常重要的因素。現有的激光直寫技術，通常利用單一光源，利用逐點直寫這種串行加工方式進行加工，存在刻寫速度慢，效率低等問題。約束激光直寫技術發展的另一個問題就是直寫的分辨率。如何提高刻寫分辨率一直是光刻研究領域的重要方向。然而，傳統的單光束并行激光直寫系統受到衍射極限的限制。在光學成像領域，受激輻射損耗(STED)技術在顯微成像領域打破衍射限制實現了更高的分辨率，響應了材料學、生物醫學對微納尺度觀測的需求，同時也為激光直寫技術領域提供了新的超分辨率方法。典型的雙光束STED納米激光直寫系統中一束為寫入光，另一束為控制寫入光的渦旋光，渦旋光能夠用于STED激光直寫系統的原因在于其聚焦光場存在尺度超越衍射極限的暗場分布，因而間接利用該暗場將渦旋光作為損耗光或限制光。然而，這樣超分辨率的單一光源直寫加工方法都具有局限性，因此需要一種高速高通量的激光直寫加工方法以適應高分辨、大尺度加工的發展要求。

發明內容

本發明旨在解決現有技術中刻寫速度慢、刻寫分辨率低的缺點，本發明提出一種雙掩膜高通量激光超分辨激光直寫方法和裝置。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種雙掩膜高通量激光超分辨激光直寫方法，該方法利用激發光束陣列掩膜和抑制光虛擬掩膜生成的高通量激光聚焦入射到樣品上進行超分辨激光直寫；其中，所述激發光束陣列掩膜是由空間光調制器加載計算全息圖生成在空間按設計需要排列的激發光束陣列；所述抑制光虛擬掩膜是由四光束交叉干涉形成的抑制光陣列；所述四光束中，兩束為垂直偏振光束，兩束為水平偏振光束，每束光束光強相同，光束半徑大于10mm；同時，每束光束與法線的夾角相同且均小于90°。

進一步地，所述抑制光陣列產生方法為：將一水平偏振方向的激光入射至準直擴束系統，將激光的光斑直徑擴大后經半波片和偏振分光鏡分成第一透過光束和第一反射光束，其中第一透過光束再經過半波片和偏振分光鏡分為第二透過光束和第二反射光束，第二反射光束經四分之一玻片改變為水平偏振方向后與第二透過光束形成兩束水平偏振光束；第一反射光束經半波片和偏振分光鏡分成第三透過光束和第三反射光束，第三反射光束經四分之一玻片改變為水平偏振方向后經半波片和偏振分光鏡產生垂直偏振方向的第四反射光束，和第三透過光束經偏振分光鏡產生垂直偏振方向的第五反射光束作為兩束垂直偏振光束，四束光束合束兩兩成一定角度交叉干涉形成抑制光陣列。

進一步地，所述激發光束陣列產生方法為：

將一水平偏振方向的激光入射至準直擴束系統，將激光的光斑直徑擴大后入射至空間光調制器，由空間光調制器加載計算全息圖生成在空間按設計需要排列的激發光束陣列。

優選地，所述的空間光調制器的波長為相位型空間光調制器，可以提高入射光的調制效率。

其中，激光偏振方向通過偏振控制模塊控制，所述偏振控制模塊包括半波片和偏振片。