一种并行穿插高速激光直写光刻的方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种并行穿插高速激光直写光刻的方法与装置。本发明专利技术方法使用并行穿插算法，包括步骤：1)基于刻写光空间光调制器产生刻写用多光束实心光斑；2)基于多通道声光调制器输出刻写波形，首先只输出第N

【技术实现步骤摘要】
一种并行穿插高速激光直写光刻的方法与装置


[0001]本专利技术属于双光子激光直写光刻领域，尤其涉及一种并行穿插高速激光直写光刻的方法与装置。

技术介绍

[0002]双光子激光直写可以在保持nm
‑
um级高精度的同时，实现mm
‑
cm级介观尺寸物体的加工。这一能力允许人们在介观尺寸物体上实现微米级甚至纳米级的功能特征，这在高精度新型复杂器件与结构研究领域显得尤其重要，例如片上集成系统，微纳光学，超材料等。现阶段，双光子激光直写光刻技术依然存在一些问题，其中难以实现介观尺度的高速刻写是制约其进一步推广的主要因素，以扫描速度不足与刻写策略不完善为主要原因。
[0003]使用更高速的扫描元件对传统振镜进行替换，例如多面体扫描镜(PLS)，又称转镜，或者声光偏转器(AOD)可有效提高刻写速度。另一方面，使用多光束同步扫描也是提升刻写速度的有效方法。如何将两者有效结合，是目前双光子激光直写光刻发展的一个主流方向。目前，AOD因为对光入射角要求高以及群速度色散等问题，难以与多光束扫描相结合，而转镜，可以达到与AOD同等级的扫描速度，并且易于和多光束扫描相结合。但是转镜只能沿同一个方向扫描，因此它在使用上不够灵活。目前使用转镜进行多光束并行激光直写的方法比较简单，难以真正发挥多光束转镜扫描的优势。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种并行穿插高速激光直写光刻的方法与装置。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种并行穿插高速激光直写光刻的方法，包括以下步骤：
[0006]a)基于激光器产生一束刻写激光；
[0007]b)基于光学衍射器件产生不同衍射方向传播的多路光束；
[0008]c)基于像旋转器对多光束排布方向进行调制；
[0009]d)基于位移台匀速纵向运动；
[0010]e)基于转镜对多光束进行高速横向扫描；
[0011]f)基于多通道高速光开关，输出多通道刻写波形；
[0012]g)位移台匀速移动直到完成一整列区域刻写，关闭光开关，位移台进行一次步进移动；
[0013]h)重复步骤e)
‑
g)，直到所有图形刻写完成。
[0014]进一步地，所述基于光学衍射器件产生不同衍射方向传播多路光束，包括：使用空间光调制器加载全息图产生多路光束，或者使用衍射光学元件DOE产生多路光束。
[0015]进一步地，所述基于像旋转器对多光束排布方向进行调制，调制角度θ
r
满足：
[0016]n
×
N
beams
×
δd+δd＝D|sinθ
r
|+D|cosθ
r
|
·
δd/L
max
[0017]其中，调制角度θ
r
被定义为转镜扫描方向与多光束排列方向的夹角；n为整数，表示经过n次扫描后第一束光束到达指定位置，该位置与多光束最后一束第一次刻写位置相距δd；δd表示线条间距(分辨率/um)；N
beams
表示光束数，为整数；D表示多光束相邻的两光束之间的间距；L
max
表示转镜在物镜焦平面单次扫描可达到的最大长度。
[0018]进一步地，所述基于位移台匀速纵向运动，运动方向与转镜扫描方向垂直，运动速度v
s
满足：
[0019]v
s
＝δd/L
max
×
v
PLS
[0020]其中，v
PLS
表示转镜扫描速度。
[0021]进一步地，所述基于多通道高速光开关，输出多通道刻写波形，输出的多通道刻写波形满足并行穿插算法，包括步骤：
[0022]a)首先只输出第N
beams
束光的刻写波形；
[0023]b)经过n次扫描后开始输出第N
beams
‑
1束光的刻写波形；
[0024]c)再经过n次扫描后开始输出第N
beams
‑
2束光的刻写波形；
[0025]d)重复步骤b)
‑
c)直到所有光束波形都开始输出。
[0026]进一步地，所述位移台进行一次步进移动，位移台移动方向平行于转镜刻写方向。移动距离L
step
为：L
step
＝L
max
‑
L
useless
，其中L
useless
表示无效刻写区域，L
useless
＝L
out
+D
×
N
beams
|cosθ
r
|；其中第一项L
out
表示转镜边缘由于切到光斑而产生的无效刻写长度，第二项表示由于多光束倾斜而导致的无效刻写长度。
[0027]一种并行穿插高速激光直写光刻的装置，用于实现上述方法，包括：
[0028]激光器，产生一束飞秒激光束用于双光子激光直写；
[0029]群速度色散补偿单元，对800nm飞秒脉冲进行负的群速度色散预补偿，用于抵消后续光路传播中所产生的正群速度色散；
[0030]扩束整形装置，用于产生高质量的扩束、准直偏振光；
[0031]光学衍射器件，用于产生高通量并行刻写光束；
[0032]多通道高速光开关装置，用于独立控制高通量并行刻写光束中各子光束的通断；
[0033]像旋转器装置，用于将多光束排布方向与转镜扫描方向进行连续调节；
[0034]高速转镜，用于实现高通量并行刻写光束的水平并行扫描；
[0035]扫描透镜系统，用于将高通量并行刻写光束聚焦在光刻样品上；
[0036]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。
[0037]优选地，所述激光器使用532nm或780nm飞秒激光器。
[0038]优选地，所述群速度色散补偿单元包括群速度色散补偿元件，若干反射镜以及一维位移台，飞秒激光入射后经过反射镜引导反复通过群速度色散补偿元件，共计4次。通过一维位移台调节第一次入射和第二次入射之间的距离可调节补偿量。
[0039]优选地，所述群速度色散补偿元件包括但不限于以下元件：光栅，棱镜。
[0040]优选地，所述补偿量计算方式参考文献Kim,D.U.,et al.,Two
‑
photon microscopy using an Yb(3+)
‑
doped fiber laser with variable pulse widths.Opt Express,2012.20(11):p.12341
‑
9。
[0041]优选地，所述后续光路传播中所产生的正群速度色散的计算方法如下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种并行穿插高速激光直写光刻的方法，其特征在于，包括步骤：a)基于激光器产生一束刻写激光。b)基于光学衍射器件产生不同衍射方向传播的多路光束。c)基于像旋转器对多光束排布方向进行调制。d)基于位移台匀速纵向运动。e)基于转镜对多光束进行高速横向扫描。f)基于多通道高速光开关，输出多通道刻写波形。g)位移台匀速移动直到完成一整列区域刻写，关闭光开关，位移台进行一次步进移动。h)重复步骤e)
‑
g)，直到所有图形刻写完成。2.如权利要求1所述并行穿插高速激光直写光刻的方法，其特征在于，步骤c)中，调制角度θ
r
满足：n
×
N
beams
×
δd+δd＝D|sinθ
r
|+D|cosθ
r
|
·
δd/L
max
其中，调制角度θ
r
被定义为转镜扫描方向与多光束排列方向的夹角；δd表示线条间距；n为整数，表示经过n次扫描后第一束光束到达指定位置，该位置与多光束最后一束第一次刻写位置相距δd；N
beams
表示光束数，为整数；D表示多光束相邻的两光束之间的间距；L
max
表示转镜在物镜焦平面单次扫描可达到的最大长度。3.如权利要求1所述并行穿插高速激光直写光刻的方法，其特征在于，步骤d)中，运动方向与转镜扫描方向垂直，运动速度v
s
满足：v
s
＝δd/L
max
×
v
PLS
其中，v
PLS
表示转镜扫描速度。4.如权利要求1所述并行穿插高速激光直写光刻的方法，其特征在于，步骤f)中，输出的多通道刻写波形满足并行穿插算法，包括步骤：f1)首先只输出第N
beams
束光的刻写波形；f2)经过n次扫描后开始输出第N
beams
‑
1束光的刻写波形；f3)再经过n次扫描后开始输出第N
beams
‑
2束光的刻写波形；f4)重复步骤f2)
‑
f3...

【专利技术属性】
技术研发人员：匡翠方，王洪庆，王子昂，杨臻垚，汤孟博，詹兰馨，张晓依，温积森，刘旭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：