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1. WO2020113664 - INTEGRATED SUPER-RESOLUTION LASER DIRECT-WRITING DEVICE AND DIRECT-WRITING METHOD

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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8  

附图

1   2   3  

说明书

发明名称 : 集成化超分辨激光直写装置及直写方法

技术领域

[0001]
本发明属于激光直写、无掩膜光刻技术领域,特别是基于远场光学显微技术的集成化激光直写装置和直写方法。

背景技术

[0002]
基于远场光学显微技术的激光直写方法,刻写分辨率受限于阿贝衍射极限的限制,最小的刻写尺寸为半个波长左右。而通过引入诱导光和涡旋抑制光,则可以突破衍射极限,进一步缩小尺寸,提高刻写分辨率,目前现有的超分辨激光直写技术均采用自由光路搭建,无法实现关键器件光纤化和系统集成化。
[0003]
发明内容
[0004]
本发明的目的是提出一种集成化超分辨激光直写装置和直写方法,该装置和方法解决了现有超分辨激光直写样机无法实现关键器件光纤化和系统集成化的问题,在激光直写、无掩膜光刻领域有很大的应用价值。
[0005]
为达到上述目的,本发明的技术解决方案如下:
[0006]
一种集成化超分辨激光直写装置包括连续激光器、第一光纤耦合器、单模光纤、第二连续激光器、第二光纤耦合器、第一环形光子晶体光纤、分叉光纤、透镜组、第一二向色镜、LED光源、透镜、第二二向色镜、自动聚焦模块、第三二向色镜、第三光纤耦合器、平方率渐变光纤、纳米位移台、第二透镜、CMOS相机和控制系统。
[0007]
所述的控制系统由计算机和现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,以下简称FPGA)构成。
[0008]
所述的连续激光器输出的激光经第一光纤耦合器输入单模光纤,作为中心诱导光;第二连续激光器输出的激光经第二光纤耦合器,输入第一环形光子晶体光纤,作为外围涡旋抑制光;所述的外围涡旋抑制光与中心诱导光经分叉光纤合束后,经所述的光束经透镜组扩束后,入射到所述的第一二向色镜,经该第一二向色镜反射后,依次经过第二二向色镜、第三二向色镜透射后入射到所述的第三光纤耦合器,依次经第三光纤耦合器和平方率渐变光纤后,照射在样品上;
[0009]
所述的LED光源发出的光束经透镜扩束后,入射到所述的第二二向色镜,经该第二二向色镜反射后,依次经第三二向色镜和第三光纤耦合器后,射入平方率渐变光纤后,照射在样品上,经样品反射后沿原光路返回,依次经所述的平方率渐变光纤、第三光纤耦合器和第三二向色镜后,入射到所述的第二二向色镜,依次经第二二向色镜和第一二向色镜透射后,入射到所述的第二透镜,经该第二透镜聚焦后射 入CMOS相机,经该CMOS相机成像;
[0010]
所述的自动聚焦模块发出的偏心光束,经第三二向色镜反射后,通过光纤耦合器进入平方率渐变光纤,照射在样品上,经样品反射后沿原光路返回,依次经所述的平方率渐变光纤和第三光纤耦合器,入射到第三二向色镜后,依次经第三二向色镜、第二二向色镜和第一二向色镜透射后,入射到所述的第二透镜,经该第二透镜聚焦后射入CMOS相机,经该CMOS相机成像;
[0011]
所述的控制系统分别与所述的连续激光器、第二连续激光器、LED光源、自动聚焦模块和纳米位移台的控制端相连,所述的控制系统与CMOS相机的输出端相连。
[0012]
所述的透镜组由一对正负透镜组成,对光束进行扩束。
[0013]
所述的样品为由上至下依次由光刻胶材料和基底组成。
[0014]
所述的光刻胶材料为光致聚合材料以及相应的光引发剂和抑制剂。
[0015]
所述的光致聚合材料为季戊四醇五丙烯酸酯、双季戊四醇五丙烯酸酯或三乙二醇二甲基丙烯酸酯,所述的光引发剂为米氏酮、樟脑醌或4-二甲基氨基苯甲酸乙酯,所述的抑制剂为二硫化四乙基秋兰姆。
[0016]
利用所述的集成化超分辨激光直写装置的激光直写方法,该方法包括以下步骤:
[0017]
1)对样品进行预处理:在光致聚合材料中加入一定量的光引发剂和光抑制剂混合均匀;
[0018]
2)将样品置于所述的纳米位移台上,控制系统输出指令,使得自动聚焦模块的激光器打开,出射光经光路照射在样品上,经样品反射的光束聚焦在CMOS相机,利用计算机的离焦判断模块实现自动聚焦;
[0019]
3)控制系统控制纳米位移台移动,使样品平面待刻写区域移动至初始记录点,控制系统控制开启第二连续激光器,输出的激光通过第二光纤耦合器、第一环形光子晶体光纤形成涡旋光,激发样品平面的记录点区域涡旋光中心d/2范围外的光抑制剂,抑制光致聚合材料发生聚合;控制系统控制开启连续激光器,输出的激光经第一光纤耦合器、单模光纤形成中心诱导光,诱导记录点区域涡旋光中心d/2范围内的光引发剂,引发光致聚合材料发生聚合;刻写时间满足400ms-700ms后,进入步骤4);
[0020]
4)控制系统控制关闭所述的连续激光器和第二连续激光器,并控制纳米位移台移动,使样品平面待刻写区域移动至下一记录点,刻写时间满足400ms-700ms;直至样品平面待刻写区域的所有点刻写完成。
[0021]
在所述的步骤2)-3)还包括样品形貌判断步骤,具体是控制系统输出指令,使得LED光源打开,出射光经光路照射在样品上,经样品反射的光束聚焦在CMOS相机成像,在计算机上的相应软件上观测样品形貌,当样品形貌不符合要求时,返回 步骤1),否则进入步骤3)。
[0022]
与现有技术相比,本发明的技术效果如下:
[0023]
解决了超分辨激光直写原理样机只能在实验室由自由光路搭建,无法实现关键器件光纤化和系统集成化的问题,在激光直写、无掩膜光刻领域有很大的应用价值。

附图说明

[0024]
图1为本发明集成化超分辨激光直写装置光路图。
[0025]
图2为光刻胶材料及光引发剂、光抑制剂的吸收光谱图
[0026]
图3为本发明实施例集成化超分辨激光直写装置的直写方法步骤示意图

具体实施方式

[0027]
下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明,但不应以此限制本发明的保护范围。
[0028]
先请参阅图1,图1为集成化超分辨激光直写装置光路图。由图可见,该集成化装置包括连续激光器1、第一光纤耦合器2、单模光纤3、第二连续激光器4、第二光纤耦合器5、第一环形光子晶体光纤6、分叉光纤7、透镜组8、第一二向色镜9、LED光源10、透镜11、第二二向色镜12、自动聚焦模块13、第三二向色镜14、第三光纤耦合器15、平方率渐变光纤16、纳米位移台17、第二透镜18、CMOS相机19、控制系统20。
[0029]
所述的控制系统由计算机201和现场可编程门阵列202(Field-Programmable Gate Array,以下简称FPGA)构成。
[0030]
所述的连续激光器1输出的激光经第一光纤耦合器2输入单模光纤3,作为中心诱导光;第二连续激光器4输出的激光经第二光纤耦合器5输入第一环形光子晶体光纤6,作为外围涡旋抑制光;所述的外围涡旋抑制光与中心诱导光经分叉光纤7合束后经所述的光束经透镜组8扩束入射到所述的第一二向色镜9,经该第一二向色镜9反射后,依次经过第二二向色镜12、第三二向色镜14透射后入射到所述的第三光纤耦合器15,依次经第三光纤耦合器15和平方率渐变光纤16后,照射在样品上;
[0031]
所述的LED光源10发出的光束经透镜11扩束后入射到所述的第二二向色镜12,经该第二二向色镜12反射后,依次经第三二向色镜14和第三光纤耦合器15后射入平方率渐变光纤16后,照射在样品上,经样品反射后沿原光路返回,依次经所述的平方率渐变光纤16、第三光纤耦合器15和第三二向色镜14后,入射到所述的第二二向色镜12,依次经第二二向色镜12和第一二向色镜9透射后,入射到所述的第 二透镜18,经该第二透镜18聚焦后射入CMOS相机19,经该CMOS相机19成像;
[0032]
所述的自动聚焦模块13发出的偏心光束,经第三二向色镜14反射后,通过光纤耦合器15进入平方率渐变光纤16,照射在样品上,经样品反射后沿原光路返回,依次经所述的平方率渐变光纤16和第三光纤耦合器15入射到第三二向色镜14后,依次经第三二向色镜14、第二二向色镜12和第一二向色镜9透射后,入射到所述的第二透镜18,经该第二透镜18聚焦后射入CMOS相机19,经该CMOS相机19成像;
[0033]
所述的控制系统20分别与所述的连续激光器1、第二连续激光器4、LED光源(10)、自动聚焦模块13和纳米位移台17的控制端相连,所述的控制系统20与CMOS相机19的输出端相连。
[0034]
所述的透镜组8由一对正负透镜组成,对光束进行扩束。
[0035]
所述的样品为由上至下依次由光刻胶材料和基底组成。
[0036]
所述的光刻胶材料为光致聚合材料以及相应的光引发剂和抑制剂。
[0037]
所述的光致聚合材料为季戊四醇五丙烯酸酯、双季戊四醇五丙烯酸酯或三乙二醇二甲基丙烯酸酯,所述的光引发剂为米氏酮、樟脑醌或4-二甲基氨基苯甲酸乙酯,所述的抑制剂为二硫化四乙基秋兰姆。
[0038]
不同光刻胶材料所选用的光引发剂、光抑制剂不同,所采用的第一连续激光器1、第二连续激光器4的参数也有所不同。
[0039]
图2为光刻胶以及光引发剂和光抑制剂的吸收光谱图,由图可以看出,光刻胶在300nm-800nm处无吸收峰,光引发剂的吸收峰位于460nm,光抑制剂的吸收峰位于350nm,光引发剂通过吸收460nm激光能量使得引发剂化学键发生断裂并诱导光刻胶单体发生聚合反应,光抑制剂通过吸收350nm激光能量使得抑制剂化学键断裂,通过和光刻胶化学键的结合,抑制光刻胶单体自身发生聚合,因此,应用于此特征,可以采用中心激光诱导,外围空心光抑制的方式实现刻写。即第一连续激光器波长选择460nm,第二连续激光器波长选择350nm。
[0040]
图3为本发明实施例集成化超分辨激光直写装置的直写方法步骤示意图,该方法由实施例1详细说明。
[0041]
实施例1:
[0042]
以一种光刻胶三乙二醇二甲基丙烯酸酯为参考,该光刻胶在300nm至800nm处无吸收峰,光引发剂樟脑醌的吸收峰为460nm,光抑制剂二硫化四乙基秋兰姆的吸收峰为350nm,即设计第一连续激光器的波长为460nm,第二连续激光器的吸收波长为350nm。
[0043]
1)对样品进行预处理:在光致聚合材料中加入一定量的光引发剂和光抑制剂混合均匀;
[0044]
2)将样品置于所述的纳米位移台17上,控制系统20输出指令,使得自动聚焦模块13的激光器打开,出射光经光路照射在样品上,经样品反射的光束聚焦在CMOS相机19,利用计算机201的离焦判断模块实现自动聚焦;
[0045]
3)控制系统20控制纳米位移台17移动,使样品平面待刻写区域移动至初始记录点,控制系统20控制开启350nm激光器4,输出的激光通过第二光纤耦合器5、第一环形光子晶体光纤6形成涡旋光,激发样品平面的记录点区域涡旋光中心d/2范围外的二硫化四乙基秋兰姆,使其化学键断裂,抑制三乙二醇二甲基丙烯酸酯的聚合反应;控制系统20控制开启460nm连续激光器1,输出的光经第一光纤耦合器2、单模光纤3形成中心诱导光,诱导记录点区域涡旋光中心d/2范围内的樟脑醌,并诱导三乙二醇二甲基丙烯酸酯发生聚合反应;刻写时间满足400ms-700ms后,进入步骤4);
[0046]
4)控制系统20控制关闭所述的350nm激光器1和460nm激光器4,并控制纳米位移台17移动,使样品平面待刻写区域移动至下一记录点,刻写时间满足400ms-700ms;直至样品平面待刻写区域的所有点刻写完成。
[0047]
8、利用权利要求7所述的集成化超分辨激光直写装置的激光直写方法,其特征在于,在所述的步骤2)-3)还包括样品形貌判断步骤,具体是控制系统20输出指令,使得LED光源10打开,出射光经光路照射在样品上,经样品反射的光束聚焦在CMOS相机19成像,在计算机20上的相应软件上观测样品形貌,当样品形貌不符合要求时,返回步骤1),否则进入步骤3)。

权利要求书

[权利要求 1]
一种集成化超分辨激光直写装置,其特征在于,包括连续激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、单模光纤(3)、第二连续激光器(4)、第二光纤耦合器(5)、第一环形光子晶体光纤(6)、分叉光纤(7)、透镜组(8)、第一二向色镜(9)、LED光源(10)、透镜(11)、第二二向色镜(12)、自动聚焦模块(13)、第三二向色镜(14)、第三光纤耦合器(15)、平方率渐变光纤(16)、供样品放置的纳米位移台(17)、第二透镜(18)、CMOS相机(19)和控制系统(20); 所述的连续激光器(1)输出的激光经第一光纤耦合器(2)输入单模光纤(3),作为中心诱导光;第二连续激光器(4)输出的激光经第二光纤耦合器(5)输入第一环形光子晶体光纤(6),作为外围涡旋抑制光;所述的外围涡旋抑制光与中心诱导光经分叉光纤(7)合束后经所述的光束经透镜组(8)扩束入射到所述的第一二向色镜(9),经该第一二向色镜(9)反射后,依次经过第二二向色镜(12)、第三二向色镜(14)透射后入射到所述的第三光纤耦合器(15),依次经第三光纤耦合器(15)和平方率渐变光纤(16)后,照射在样品上; 所述的LED光源(10)发出的光束经透镜(11)扩束后入射到所述的第二二向色镜(12),经该第二二向色镜(12)反射后,依次经第三二向色镜(14)和第三光纤耦合器(15)后射入平方率渐变光纤(16)后,照射在样品上,经样品反射后沿原光路返回,依次经所述的平方率渐变光纤(16)、第三光纤耦合器(15)和第三二向色镜(14)后,入射到所述的第二二向色镜(12),依次经第二二向色镜(12)和第一二向色镜(9)透射后,入射到所述的第二透镜(18),经该第二透镜(18)聚焦后射入CMOS相机(19),经该CMOS相机(19)成像; 所述的自动聚焦模块(13)发出的偏心光束,经第三二向色镜(14)反射后,通过光纤耦合器(15)进入平方率渐变光纤(16),照射在样品上,经样品反射后沿原光路返回,依次经所述的平方率渐变光纤(16)和第三光纤耦合器(15)入射到第三二向色镜(14)后,依次经第三二向色镜(14)、第二二向色镜(12)和第一二向色镜(9)透射后,入射到所述的第二透镜(18),经该第二透镜(18)聚焦后射入CMOS相机(19),经该CMOS相机(19)成像; 所述的控制系统(20)分别与所述的连续激光器(1)、第二连续激光器(4)、LED光源(10)、自动聚焦模块(13)和纳米位移台(17)的控制端相连,所述的控制系统(20)与CMOS相机(19)的输出端相连。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的集成化超分辨激光直写装置,其特征在于,控制系统(20)由计算机(201)和FPGA(202)组成。
[权利要求 3]
根据权利要求1或2所述的集成化超分辨激光直写装置,其特征在于,所述的透镜组(8)由一对正负透镜组成,对光束进行扩束。
[权利要求 4]
根据权利要求1或2所述的集成化超分辨激光直写装置,其特征在于,所述的样品为由上至下依次由光刻胶材料和基底组成。
[权利要求 5]
根据权利要求4所述的集成化超分辨激光直写装置,其特征在于,所述的光刻胶材料为光致聚合材料以及相应的光引发剂和抑制剂。
[权利要求 6]
根据权利要求5所述的集成化超分辨激光直写装置,其特征在于,所述的光致聚合材料为季戊四醇五丙烯酸酯、双季戊四醇五丙烯酸酯或三乙二醇二甲基丙烯酸酯,所述的光引发剂为米氏酮、樟脑醌或4-二甲基氨基苯甲酸乙酯,所述的抑制剂为二硫化四乙基秋兰姆。
[权利要求 7]
利用权利要求1-6任一所述的集成化超分辨激光直写装置的激光直写方法,其特征在于,该方法包括以下步骤: 1)对样品进行预处理:在光致聚合材料中加入一定量的光引发剂和光抑制剂混合均匀; 2)将样品置于所述的纳米位移台(17)上,控制系统(20)输出指令,使得自动聚焦模块(13)的激光器打开,出射光经光路照射在样品上,经样品反射的光束聚焦在CMOS相机(19),利用计算机(201)的离焦判断模块实现自动聚焦; 3)控制系统(20)控制纳米位移台(17)移动,使样品平面刻写区域移动至初始记录点,控制系统(20)控制开启第二连续激光器(4),输出的激光通过第二光纤耦合器(5)、第一环形光子晶体光纤(6)形成涡旋光,激发样品平面的记录点区域涡旋光中心d/2范围外的光抑制剂,抑制光致聚合材料发生聚合;控制系统(20)控制开启连续激光器(1),输出的激光经第一光纤耦合器(2)、单模光纤(3)形成中心诱导光,诱导记录点区域涡旋光中心d/2范围内的光引发剂,引发光致聚合材料发生聚合;刻写时间满足400ms-700ms后,进入步骤4); 4)控制系统(20)控制关闭所述的连续激光器(1)和第二连续激光器(4),并控制纳米位移台(17)移动,使样品平面待刻写区域移动至下一记录点,刻写时间满足400ms-700ms;直至样品平面待刻写区域的所有点刻写完成。
[权利要求 8]
利用权利要求7所述的集成化超分辨激光直写装置的激光直写方法,其特征在于,在所述的步骤2)-3)还包括样品形貌判断步骤,具体是控制系统(20)输出指令,使得LED光源(10)打开,出射光经光路照射在样品上,经样品反射的光束聚焦在CMOS相机(19)成像,在计算机(20)上的相应软件上观测样品形貌,当样品形貌不符合要求时,返回步骤1),否则进入步骤3)。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3]