基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置制造方法
【專利摘要】一種基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，主要包括：405納米藍光刻寫光路、650納米紅光自聚焦伺服光路和控制計算機及相關控制反饋系統(tǒng)。其中405納米藍光刻寫光路主要包括圓偏振鏡片組、1/2波片、電控旋轉臺、空間光調制器、共焦透鏡組、二向色性分束鏡、聚焦物鏡、自聚焦伺服驅動器、電控二維移動平臺等；650納米紅光自聚焦伺服光路主要包括紅光收集透鏡、柱面鏡、四象限探測器。其特點在于在傳統(tǒng)的激光直寫光路聚焦物鏡入射光瞳處加入復合渦旋相位調制，從而在物鏡聚焦后場實現雙瓣聚焦光斑強度分布。這種雙瓣聚焦光斑可以在中等數值孔徑聚焦下實現百納米量級橫向分辨率，同時擁有中等數值孔徑聚焦下微米級軸向焦深。
【專利說明】基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光直寫裝置，特別是一種基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝 置。

【背景技術】
[0002] 物鏡的聚焦光場三維空間分布可以說是激光直寫技術的核心。我們知道，對常規(guī) 的光學系統(tǒng)而言，其分辨率R和焦深D0F與系統(tǒng)成像透鏡的數值孔徑NA緊密相關的，即 λ/ΝΑ，而成像系統(tǒng)的焦深D0F〇c λ/ΝΑ2。在波長一定的情況下，一方面，要提高激光直 寫的分辨本領，就必須提高系統(tǒng)的數值孔徑ΝΑ。然而，數值孔徑的提高，就意味著系統(tǒng)的焦 深的急劇減小。焦深的急劇減小，就對自聚焦伺服系統(tǒng)提出了嚴峻的考驗。另一個提高系 統(tǒng)分辨率的途徑是減小工作波長。然而，工作波長的減小，尤其到深紫外波段，由于沒有合 適的光學材料，只好采用反射式光路結構。反射式的光路對系統(tǒng)的像差矯正極為困難。如 今，商業(yè)光刻技術中，波長已經到了 193nm，基本接近技術極限。于是，一些實現超越衍射極 限的超分辨技術先后被提出，尤其是一些遠場超分辨技術。更進一步，在實現橫向超分辨同 時，依然要求保證較大的軸向焦深。


【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，該裝置 通過在常規(guī)激光直寫光路聚焦物鏡的入射光瞳處加入復合渦旋相位調制，可以在聚焦物鏡 的后場產生雙瓣聚焦光斑，這可以使激光直寫系統(tǒng)實現百納米級橫向分辨率，同時擁有相 對低數值孔徑聚焦下的焦深，因而對激光直寫系統(tǒng)性能提升有重要實用價值。
[0004] 本發(fā)明的技術解決方案如下：
[0005] -種基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，構成包括405納米藍光半導體 激光器組成光路、650納米紅光半導體激光器組成光路和控制計算機及相關控制反饋系統(tǒng)； 沿所述的405納米藍光半導體激光器輸出的光路上依次是第一準直擴束透鏡、圓偏振鏡片 組、1 /2波片、第一分束鏡、空間光調制器、第一透鏡、反射鏡、第二透鏡、二向色性分束鏡、第 二分束鏡、孔徑光闌、聚焦物鏡、自聚焦伺服驅動器、光刻樣品和電控二維移動平臺；沿所述 的650納米紅光半導體激光器輸出光路方向依次是第二準直擴束透鏡和所述的第二分束 鏡，入射到所述光刻樣品上的反射光沿原路返回，在二向色性分束鏡的透射紅光方向依次 是紅光收集透鏡、柱面鏡、四象限探測器；所述的圓偏振鏡片組包括起偏器和1/4波片；共 焦透鏡組包括第一透鏡和第二透鏡；反射鏡在共焦透鏡組的第一透鏡的前焦面及第二透鏡 的后焦面位置處，所述的孔徑光闌在第二透鏡的前焦面上，且第二透鏡的前焦面與聚焦物 鏡的后焦面重合；所述的1/2波片是固定在電控旋轉臺上，其特點是在所述的第一分束鏡 的反射光方向有空間光調制器，所述的空間光調制器與共焦透鏡組的第一透鏡的后焦面重 合，所述的控制計算機與所述的電控旋轉臺、空間光調制器、四象限探測器、自聚焦伺服驅 動器和電控二維移動平臺控制相連。
[0006] 所述的405納米藍光半導體激光器和650納米紅光半導體激光器均為光纖耦合輸 出單模激光器。
[0007] 所述的第一分束鏡和第二分束鏡均實現50%反射、50%透射。
[0008] 所述的二向色性分束鏡對405納米激光呈高效率反射，對650納米紅光呈高效率 透射。
[0009] 所述的電控旋轉臺的旋轉使所述的1/2波片的主光軸方向在0?2JI范圍內調 節(jié)。
[0010] 所述空間光調制器是純相位調制，所述的空間光調制器在入射光中加載的相位分 布為復合渦旋相位分布；所述的復合渦旋相位分布的透過率函數滿足關系式
[0011]

【權利要求】
1. 一種基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，構成包括405納米藍光半導體激 光器（1)組成光路、650納米紅光半導體激光器（17)組成光路和控制計算機（22)及相關 控制反饋系統(tǒng)；沿所述的405納米藍光半導體激光器（1)輸出的光路上依次是第一準直擴 束透鏡（2)、圓偏振鏡片組（3)、1/2波片（4)、第一分束鏡（6)、空間光調制器（7)、第一透 鏡（801)、反射鏡（9)、第二透鏡（802)、二向色性分束鏡（10)、第二分束鏡（11)、孔徑光闌 (12)、聚焦物鏡（13)、自聚焦伺服驅動器（14)、光刻樣品（15)和電控二維移動平臺（16); 沿所述的650納米紅光半導體激光器（17)輸出光路方向依次是第二準直擴束透鏡（18)和 所述的第二分束鏡（11)，入射到所述光刻樣品（15)上的反射光沿原路返回，在二向色性分 束鏡（10)的透射紅光方向依次是紅光收集透鏡（19)、柱面鏡（20)、四象限探測器（21);所 述的圓偏振鏡片組（3)包括起偏器（301)和1/4波片（302);共焦透鏡組（8)包括第一透 鏡（801)和第二透鏡（802);反射鏡（9)在共焦透鏡組（8)的第一透鏡（801)的前焦面及 第二透鏡（802)的后焦面位置處，所述的孔徑光闌（12)在第二透鏡（802)的前焦面上，且 第二透鏡（802)的前焦面與聚焦物鏡（13)的后焦面重合；所述的1/2波片（4)是固定在電 控旋轉臺（5)上，其特征是在所述的第一分束鏡￠)的反射光方向有空間光調制器（7)，所 述的空間光調制器（7)與共焦透鏡組（8)的第一透鏡（801)的后焦面重合，所述的控制計 算機（22)與所述的電控旋轉臺（5)、空間光調制器（7)、四象限探測器（21)、自聚焦伺服驅 動器（14)和電控二維移動平臺（16)控制相連。
2. 根據權利要求1所述的基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，其特征在于所 述的405納米藍光半導體激光器（1)和650納米紅光半導體激光器（17)均為光纖耦合輸 出單模激光器。
3. 根據權利要求1所述的基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，其特征在于所 述的第一分束鏡（6)和第二分束鏡（11)均實現50%反射、50%透射。
4. 根據權利要求1所述的基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，其特征在于所 述的二向色性分束鏡（10)對405納米激光呈高效率反射，對650納米紅光呈高效率透射。
5. 根據權利要求1所述的基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，其特征在于所 述的電控旋轉臺（5)的旋轉使所述的1/2波片（4)的主光軸方向在0?2JI范圍內調節(jié)。
6. 根據權利要求1所述的基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，其特征在于所 述空間光調制器（7)是純相位調制，所述的空間光調制器（7)在入射光中加載的相位分布 為復合渦旋相位分布；所述的復合渦旋相位分布的透過率函數滿足關系式
其中，勿為歸一化極坐標；鐘為相鄰環(huán)區(qū)初始延遲相位差；rn為第η個環(huán)區(qū)的半 徑，η = 1，2，···，Ν;Ν為環(huán)區(qū)的總數目；CirC(r)為圓孔函數：
所述的復合渦旋相位分布是多環(huán)區(qū)結構，并且各環(huán)區(qū)面積相等，即各環(huán)區(qū)半徑4滿足：
且等面積環(huán)區(qū)總數N至少大于或等于10。
7. 根據權利要求1所述的基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，其特征在于， 通過調節(jié)所述的空間光調制器（7)改變復合渦旋相鄰環(huán)區(qū)初始相位差鐘和調節(jié)電控旋轉 臺（5)改變通過的線偏振光的偏振方向，確保所述的聚焦物鏡（13)聚焦的雙瓣聚焦光斑的 暗紋方向與入射線偏振光的偏振方向一致。
8. 根據權利要求1所述的基于復合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫裝置，其特征在于所 述的電控二維移動平臺（16)相對聚焦物鏡（13)的線性掃描方向與雙瓣聚焦光斑暗紋的方 向一致，同時所述的線性掃描方向與入射線偏振光的偏振方向一致。
【文檔編號】G03F7/20GK104111590SQ201410317829
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權日:2014年7月4日
【發(fā)明者】余俊杰, 周常河, 賈偉, 盧炎聰, 李樹斌 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所