一种用于微纳结构表面三维形貌上的光刻方法技术

本发明专利技术公开了一种用于微纳结构表面三维形貌上的光刻方法。该方法通过结构光显微测量样品的表面形貌，结合光刻图案，设计出对应样品表面三维形貌的三维光刻图案，并通过计算全息算法得到计算全息图，将计算全息图加载到液晶空间光调制器上对入射激光进行调制，调制后的激光经物镜汇聚到样品表面进行光刻。本发明专利技术将结构光显微测量和单张计算全息图对入射激光进行调制以获得三维光场相结合，在对任意表面形貌的样品进行加工时，可以更加精确的曝光需要转移的图案。需要转移的图案。需要转移的图案。

【技术实现步骤摘要】
一种用于微纳结构表面三维形貌上的光刻方法


[0001]本专利技术属于微纳加工领域，特别涉及一种用于微纳结构表面三维形貌上的光刻方法。

技术介绍

[0002]微纳结构具有体积小、重量轻、易集成等特点，微纳尺度下的元器件，更是在光学和电学性能方面都展现出独特的优势。人们对于微系统研究逐渐深入，二维光刻即在平面上的光刻已经不能满足人们对于越来丰富的器件结构的要求。在很多情况下，我们的样品表面并不是一个理想的平面，想要实现更加精准的二维图案化，就要将其三维表面形貌考虑在内，即进一步考虑到曲面上的光刻，如何快速、精确、低成本的对任意表面形貌的样品进行图案化亟待解决。
[0003]光刻领域较早的研究大多都是针对二维平面结构，因而二维图案结构的加工技术要比三维结构成熟的多，为了实现三维微纳结构的制作，研究人员大多都采用套刻的方法进行光刻，通过把三维物体切成多个二维图层并进行叠加来进行光刻以获得具有三维形貌的结构，但是这种操作方法存在许多问题：(1)效率低，要想得到精准的三维图形，需要切片的片数很多。(2)实现难度大，层层套刻的方法对对准系统的要求严格。(3)不适用于所有的三维物体，套刻的方法只能适用于台阶状的三维形貌，对于具有连续曲面特征的三维微纳结构的加工，无法使用套刻的方法来实现，为了满足不同形貌的三维微纳结构的需要，三维光刻领域逐渐出现各种各样的加工方法。按照加工方式分类，三维光刻方法主要有：直写式光刻，掩模光刻、基于空间光调制器的数字无掩模光刻、基于连续液面成型的三维光刻以及基于计算机断层扫描的三维微立体光刻技术。直写式光刻顾名思义即不需要掩模板，采用激光或者电子束或离子束来对光刻胶进行逐点曝光，这种方式可以把聚焦光斑尺寸缩小到纳米量级，具有非常高的精度，但由于是逐点扫描，效率跟传统使用掩模板的光刻不在同一量级，并且电子束和离子束直写光刻的设备的价格均非常高，只能用于小批量制备。
[0004]通过灰度掩模的方法来进行三维光刻，只要单次曝光就可以实现三维图像的转移，效率得到了很大的提高，但掩模板的制作难度大，且只能用于固定的三维结构的制作，这无疑大大增加了成本。
[0005]数字无掩模光刻是基于传统的光刻工艺，是使用空间光调制器(SLM)代替传统掩模的一种极具潜力的光刻方法，空间光调制器可以通过计算机来对图案进行调控，这就去除了制造掩模的成本，走出了一个掩模只能对单一图案进行加工的窘境。
[0006]2019年，北京大学的李焱课题组在聚焦光场整形方面，通过将各切片全息图叠加到空间光调制器上可以在单次曝光的情况下，一次性得到三维光场，加工出了PKU三个字母的三维形状。同时，也使用动态全息图顺序播放的方式，通过三维工件台的移动，加工出了复杂的长城结构。然而目前存在的计算全息图的算法都需要将目标进行切片，极大的增加了计算量以及光刻的效率。
[0007]基于目前的现状，本专利技术提出了一种用于微纳结构表面三维形貌上的光刻方法。

技术实现思路

[0008]为了克服上述当前技术的不足，本专利技术提出了一种用于微纳结构表面三维形貌上的光刻方法，该方法结合结构光三维微纳结构表面形貌检测技术和单张全息图恢复三维光场的计算全息算法，实现光刻，由于考虑到真实表面形貌，能够更加精确的实施图案化曝光。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术一种用于微纳结构表面三维形貌上的光刻方法，该方法的步骤如下：
[0010]步骤一：通过上位机程序控制压电陶瓷以微小步距垂直扫描标准平面物体，每一次扫描过程中，利用DMD数字微镜投影N步相移的正弦光栅条纹，利用CCD相机测量系统采集被测表面所调制的条纹图，并将其储存在计算机中；
[0011]步骤二：每扫描一次，对CCD相机采集到的条纹图，运用N步相移算法解出每一个像素点的调制度值，扫描M次后，得到每个像素点的M帧调制度值；
[0012]步骤三：标定出调制度与表面高度之间的关系；
[0013]步骤四：实验中采集被测物体在线性标定范围内某一位置的一系列相移图像，使用相移法解出调制度，并根据前述的线性区域中调制度与表面高度之间的关系，即可完成被测表面的三维重构；
[0014]步骤五：将被测表面三维结构和要实现的图案化光刻结构结合，设计目标三维光场；
[0015]步骤六：通过三维傅立叶变换在目标光场及其三维k空间之间迭代计算三维相位；
[0016]步骤七：通过相位投影将三维相位叠加到一层上得到其二维相位全息图；
[0017]步骤八：将相位全息图加载到空间光调制器SLM上，对入射激光进行调制；
[0018]步骤九：将被调制的激光通过物镜入射到代刻样品上实现曲面三维光刻。
[0019]进一步地，在得到样品的三维表面形貌之后结合表面图案化结构，设计三维曲面目标光场模型，对该数学模型进行三维傅立叶变换可得到其k空间表达式(二者互为傅立叶变换对)，在目标光场和k空间之间进行误差减少算法迭代，得到最接近三维曲面目标光场的三维相位，对其k空间进行相位投影，得到可以加载到空间光调制器上的二维相位模式，故只需要单张全息图就可以恢复出三维光场，入射激光照射空间光调制器SLM进行调制得到图案化光场后再经物镜照射到样品表面进行光刻。
[0020]进一步地，在空间光调制器SLM之后要放置一个傅立叶变换透镜，以对空间光调制器上的全息图进行傅立叶变换才可得到三维光场分布。
[0021]本专利技术的原理在于：本专利技术通过DMD对空间光场调控产生带有特定规律的编码光场并投影到被测物体表面，利用CCD相机测量系统采集被测表面所调制的条纹图，并将其储存在计算机中，每扫描一次，对CCD相机采集到的条纹图，运用N步相移算法解出每一个像素点的调制度值，扫描M次后，得到每个像素点的M帧调制度值，根据相关理论标定出调制度与表面高度之间的关系，实验中采集被测物体在线性标定范围内某一位置的一系列相移图像，使用相移法解出调制度，并根据前述标定的的线性区域中调制度与表面高度之间的关系，即可完成被测表面的三维重构，将被测表面三维结构和要实现的图案化光刻结构结合，设计目标三维光场，通过三维傅立叶变换在目标光场及其三维k空间之间迭代计算三维相位，通过相位投影将三维相位叠加到一层上得到其二维相位全息图，将相位全息图加载到
SLM上，对入射激光进行调制，将被调制的激光通过物镜入射到代刻样品上实现曲面三维光刻。
[0022]本专利技术与现有技术相比，其优点在于：本专利技术将结构光显微测量和单张计算全息图对入射激光进行调制以获得三维光场相结合，在对任意表面形貌的样品进行加工时，可以更加精确的设计需要曝光转移的图案，且可以达到的效果；在三维光刻方面，使用单张全息图，且不需对目标光场进行切片，极大的提升了光刻的效率。
附图说明
[0023]图1为本专利技术一种用于微纳结构表面三维形貌上的光刻方法的流程图；
[0024]图2为本专利技术一种用于微纳结构表面三维形貌上的光刻方法的计算全息算法流程图；
[0025]图3为本专利技术一种用于微纳结构表面三维形貌上的光刻方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于微纳结构表面三维形貌上的光刻方法，其特征在于：该方法的步骤如下：步骤一：通过上位机程序控制压电陶瓷(307)以微小步距垂直扫描标准平面物体，每一次扫描过程中，利用DMD数字微镜(312)投影N步相移的正弦光栅条纹，利用CCD相机(311)测量系统采集被测表面所调制的条纹图，并将其储存在计算机中；步骤二：每扫描一次，对CCD相机(311)采集到的条纹图，运用N步相移算法解出每一个像素点的调制度值，扫描M次后，得到每个像素点的M帧调制度值；步骤三：标定出调制度与表面高度之间的关系；步骤四：实验中采集被测物体在线性标定范围内某一位置的一系列相移图像，使用相移法解出调制度，并根据前述的线性区域中调制度与表面高度之间的关系，即可完成被测表面的三维重构；步骤五：将被测表面三维结构和要实现的图案化光刻结构结合，设计目标三维光场；步骤六：通过三维傅立叶变换在目标光场及其三维k空间之间迭代计算三维相位；步骤七：通过相位投影将三维相位叠加到一层上得到其二维相位全...

【专利技术属性】
技术研发人员：王化宾，何渝，赵立新，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：