一种基于DMD数字掩膜的双光束激光直写方法与装置与流程

一种基于dmd数字掩膜的双光束激光直写方法与装置
技术领域
1.本发明涉及超精密光学刻写领域，具体地，涉及一种基于dmd数字掩膜的双光束激光直写方法与装置。


背景技术：

2.随着纳米技术的不断发展，各个领域中所要求加工的器件结构的尺寸越来越小。由于受到光学衍射的限制，光刻系统的分辨率始终局限在（其中，为与刻写工艺相关的常数， 为激光波长，为刻写物镜的数值孔径），因此探索提高光刻系统的分辨率成了光刻技术中的重大而紧迫的需求。2009年，受到受激辐射损耗显微成像技术（sted）的启发，激光直写技术利用双光束同时作用于光刻胶，其中一束汇聚的高斯光斑用于引发光刻胶产生聚合反应，另一束空心光汇聚于实心光边缘，使该区域产生类似于sted的受激辐射效应（根据不同的材料亦有可能是其他效应），从而抑制实心光斑边缘区域的聚合反应，仅使空心光斑中心区域光强接近于零那非常小的区域实现聚合，大幅提高了微纳加工的精度。自此，基于双光束的激光直写技术逐渐发展，并取得突飞猛进的发展，利用该方法可以获得从传统200 nm到小于10 nm的激光直写分辨率。
3.由于激光直写技术采用的是点扫描进行逐点加工的方式，其主要存在的问题是刻写速度较慢，极大的影响了激光直写的加工效率，大大制约了其走向大规模批量化生产的道路。而在传统光刻领域，采用掩膜曝光的方式，具有极高的加工效率，在大规模集成电路的制造中具有突出优势。然而，随着加工分辨率的提升，传统掩模版的制造成本也随之增高。由于dmd具有分辨率高、成本低、以及灵活操控等特点，逐渐被应用到数字掩模光刻领域中来。通过计算机在其上加载任意图形，并对其进行实时控制，可实现复杂图形的数字掩膜，因此基于dmd的数字掩膜光刻技术可以制作出结构复杂、形状特殊的微纳结构。利用dmd取代传统光刻技术中的掩模版的方法因此成为近年来光刻领域的一项重要技术，各国也大力推进这一技术的研发。
4.基于以上背景技术，本发明专利结合上述两种技术，提出一种基于dmd数字掩膜的双光束激光直写方法和装置，采用双光束以及两个dmd加载数字图形，以期实现分辨率与刻写速度的同时提升。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于dmd数字掩膜的双光束激光直写方法。
6.本发明的具体技术方案如下：用于引发光刻胶材料光聚合反应的激发光路、用于抑制光刻胶材料光聚合反应中某个关键环节（如自由基引发单体聚合等）的去激发光路、用于两路光合束的合束器以及用于图形投影的场镜和物镜；设有沿激发光路依次设置的：
第一激光器，用于产生激发光，其波长可以引发光刻胶材料的光聚合反应；第一半波片，用于旋转激发光束的线偏振方向；第一光束准直器，用于对激发光进行扩束并准直，使其出射光斑强度均匀分布、大小可覆盖第一dmd芯片面积；第一dmd，用于通过计算机在其上加载待刻写的实心图形；设有沿去激发光路依次设置的：第二激光器，用于产生去激发光，其对应波长可以终止或抑制待刻样品引发光聚合反应中的某个关键环节，从而抑制其光聚合反应；第二半波片，用于旋转去激发光的线偏振方向；第二光束准直器，用于对去激发光进行扩束并准直，使其出射的光斑强度均匀分布、大小可覆盖第二dmd芯片面积；第二dmd，用于通过计算机加载第一dmd 所加载的实心图形对应的边缘空心图形；合束器，用于将激发光路和去激发光路进行合束；设有合束后的光路依次设置的：场镜，用于将所述的合束平行光汇聚于物镜的后焦面；物镜，用于将汇聚的实心光束和空心光束的合束光束变成平行光投影到待刻样品面上，使空心图形与实心图形边缘准确对齐；精密位移平台，用于待刻样品的放置，实现待刻样品的二维或三维精密移位；还包括：相机，用于待光刻样品的荧光信号的采集成像；计算机，用于给第一dmd和第二dmd分别加载待刻写的实心图形，以及实心图形边缘对应的空心图形，同时用于给精密位移平台输出移动控制信号，还用于相机图像数据的存储和处理等。
7.作为优选的，第一激光器可以为连续光激光器，用于引发光刻胶的单光子吸收聚合反应，也可以为飞秒脉冲激光器，用于用于引发光刻胶的双光子吸收聚合反应；作为优选的，第一半波片将脉冲激光的线偏振方向调整为s偏振方向。
8.作为优选的，第二激光器为连续光激光器；作为优选的，第二半波片将连续激光的线偏振方向调整为p偏振方向。
9.作为优选的，第一光束准直器和第二光束准直器由两片不同焦距的透镜和放置于其中的小孔组成；作为优选的，第一dmd和第二dmd型号相同。
10.本发明还提供了一种一种基于dmd数字掩膜的双光束激光直写方法，包括步骤：（1）第一激光器发出的激光作为激发光经过准直扩束后入射到第一dmd上，通过计算机在第一dmd上加载待刻写的实心图形，将其作为数字掩膜图形以便后续投影到样品面上；（2）第二激光器发出的激光作为去激发光经过准直扩束后入射到第二dmd上，通过计算机在第二dmd上加载所述步骤（1）中第一dmd上加载的实心图形对应的空心图形，将其作为数字掩膜图形以便后续投影到样品面上；（3）激发光和去激发光进行合束，经过场镜和物镜，将所述激发光束和去激发光束
中分别对应的实心图形和空心图形成像至样品台上的光刻胶上，并保证空心图形与实心图形的边缘在空间上严格对准；（4）激发光光束对应投影到样品面的实心图形引发光刻胶材料产生光聚合反应，与此同时，去激发光光束对应投影到样品面的空心图形则终止或抑制光刻胶材料光聚合反应中的某个关键环节，从而抑制光刻胶的光聚合反应，故实际引发光刻胶聚合的区域仅剩所加载实心图形的中心区域，亦即加载空心图形中强度为零附近的中心区域，因此实现了刻写图形尺寸的压缩，提高了刻写分辨率。
11.作为优选的，所述步骤（2）中的空心图形可以利用边缘提取算法对加载在第一dmd上的实心图形进行边缘提取获得。
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：（1）利用计算机对dmd进行数字图形输入，可以灵活的设计所需刻写的复杂结构，包括对应图形的空心结构；（2） 利用投影透镜对dmd产生的数字掩膜进行平面投影曝光，可以实现高速激光刻写；（3）利用双光束，分别在各自光路中的dmd加载实心和空心图形，进行双图形曝光，可以实现刻写分辨率的提升。
附图说明
13.图1为本发明基于dmd数字掩膜的双光束激光直写装置示意图；图2a为本发明激发光路中第一dmd加载的待刻写实心图形；图2b为本发明激发光路中第一dmd加载的待刻写实心图形投影到样品面上的实心图形；图3a为本发明去激发光路中第二dmd加载的对应图2a空心图形；图3b为本发明去激发光路中第二dmd加载的空心图形投影到样品面上的空心图形。
具体实施方式
14.下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
15.如图1所示，本发明的基于dmd数字掩膜的双光束激光直写装置，包括第一激光器1，为连续光激光器或脉冲光激光器，用于产生激发光，该波长可以实现待刻样品的单光子（连续激光）或双光子（脉冲激光）吸收效应，引发光刻胶材料单光子或双光子聚合反应；第一半波片2，用于改变激发光的偏振方向，使其变为s偏振光；第一光束准直器3，由两片不同焦距的透镜和放置于其中的小孔组成，用于准直激光，并实现激发光束的扩束，使其形成覆盖第一dmd 5芯片大小的均匀光斑；第一反射镜4，用于反射准直后的激光到第一dmd 5上，使光斑尽量覆盖第一dmd 5芯片；第一dmd 5，用于加载待刻写的实心图形；第二激光器6，用于产生去激发光，该波长可以终止或抑制待刻样品引发光聚合的
某个关键环节，从而抑制光刻胶的光聚合反应；第二半波片7，用于调整去激发光的偏振方向，使其成为p偏振光；第二光束准直器8，由两片不同焦距的透镜和放置于其中的小孔组成，用于准直激光，并实现去激发光束的扩束，使其形成覆盖第二dmd 10大小的均匀光斑；第二反射镜9，用于反射准直后的激光到第二dmd 10上；第二dmd10，用于加载对应于第一dmd 5所加载的实心图形的边缘空心图形；第三反射镜11，用于转折激发光路；偏振分光器12，用于激发光路和去激发光路进行合束；二向色镜13，用于反射合束后的激发光路和去激发光路，并透射光刻胶材料17的荧光信号；场镜14，用于将二向色镜13反射的合束平行光汇聚到物镜15的后焦面，并将光刻胶荧光信号成像到相机18上；物镜15，用于将汇聚光变成平行光，最终使第一dmd 5和第二dmd 10加载的图形投影到样品面上的光刻胶17上，并实现光刻胶样品荧光信号的收集；精密位移平台16，用于待刻样品的放置，实现待刻样品的二维或三维精密移位；相机18，用于对收集的荧光信号进行成像，监测激光刻写的过程；计算机19，用于给第一dmd 5和第二dmd10输入对应所需加载的数字图形信号，并实现精密位移平台16的控制信号的输入，以及给相机18驱动信号并对输出的图像进行存储和处理等。
16.本实施例中基于dmd数字掩膜的双光束激光直写装置的工作过程如下：（1）第一激光器1发射出线偏振的激发光光束，所述激发光束的偏振方向通过第一半波片2进行旋转调节，然后进入到第一光束准直器3，实现光束的准直和扩束，使其输出光成为横截面为均匀分布的平行光，所述平行光束经过第一反射镜4反射后进入到第一dmd 5，所述第一dmd 5通过计算机19加载上待刻写的数字实心图形（如图2所示的字母a），作为待投影的数字掩膜调制入射其上的平行光，第一dmd 5上处于开状态的微型反射镜反射入射其上的平行光束，使出射光为受数字实心图形调制的平行光束；（2）第二激光器6发射出线偏振的去激发光光束，所述去激发光束的偏振方向通过旋转放置其后的第二半波片7进行调节，然后进入到第二光束准直器8，实现连续光光束的准直和扩束，使其输出光成为横截面为均匀分布的平行光，所述平行光经过第二反射镜9反射后进入到第二dmd 10，通过采用如微分算法等操作对加载在第一dmd 5上的图形进行边缘提取，获得对应该图形的空心结构（如图3所示的空心字母a），通过计算机19将所述空心图形加载到前述的第二dmd 10之上，作为待投影的数字掩膜调制入射其上的平行光，第二dmd 6上处于开状态的微型反射镜反射入射其上的平行光束，使出射光为受数字空心图形调制的平行光束；（3）激发光束和去激发光束各自入射到偏振分光器12进行合束，再经过二向色镜13反射入射到场镜14，使平行光汇聚到直写物镜15的入后焦面上，再经过物镜15投影到样品面上的光刻胶17上，空心图形（图3（b））严格与实心图形（图2（b））的边缘重合，其中激发光束的实心图形使该区域的光刻胶材料引发光聚合反应，去激发光束对应的空心图形终止或抑制该区域的光刻胶材料光物理化学反应中的某个关键环节（如自由基引发单体聚合
等），从而抑制光刻胶的光聚合，达到缩小加工尺寸的目的，光刻材料放置于精密样品台16上，通过计算机19可以控制样品台在二维或三维方向上进行精密的移动，从而实现待样品17不同区域的刻写；（4）待光刻样品17在激发光作用下产生的荧光信号经过物镜15接收后，再由场镜14汇聚到相机18上进行成像，以监测激光刻写的实时过程。
17.以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。