基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝置，主要包括：405納米藍(lán)光刻寫(xiě)光路、650納米紅光自聚焦伺服光路和控制計(jì)算機(jī)及相關(guān)控制反饋系統(tǒng)。其中405納米藍(lán)光刻寫(xiě)光路主要包括圓偏振鏡片組、1/2波片、電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)、空間光調(diào)制器、共焦透鏡組、二向色性分束鏡、聚焦物鏡、自聚焦伺服驅(qū)動(dòng)器、電控二維移動(dòng)平臺(tái)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(cè)器。其特點(diǎn)在于在傳統(tǒng)的激光直寫(xiě)光路聚焦物鏡入射光瞳處加入復(fù)合渦旋相位調(diào)制，從而在物鏡聚焦后場(chǎng)實(shí)現(xiàn)雙瓣聚焦光斑強(qiáng)度分布。這種雙瓣聚焦光斑可以在中等數(shù)值孔徑聚焦下實(shí)現(xiàn)百納米量級(jí)橫向分辨率，同時(shí)擁有中等數(shù)值孔徑聚焦下微米級(jí)軸向焦深。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光直寫(xiě)裝置，特別是一種基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝 置。

【背景技術(shù)】
[0002] 物鏡的聚焦光場(chǎng)三維空間分布可以說(shuō)是激光直寫(xiě)技術(shù)的核心。我們知道，對(duì)常規(guī) 的光學(xué)系統(tǒng)而言，其分辨率R和焦深D0F與系統(tǒng)成像透鏡的數(shù)值孔徑NA緊密相關(guān)的，即 λ/ΝΑ，而成像系統(tǒng)的焦深D0F〇c λ/ΝΑ2。在波長(zhǎng)一定的情況下，一方面，要提高激光直 寫(xiě)的分辨本領(lǐng)，就必須提高系統(tǒng)的數(shù)值孔徑ΝΑ。然而，數(shù)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(duì)自聚焦伺服系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。另一個(gè)提高系 統(tǒng)分辨率的途徑是減小工作波長(zhǎng)。然而，工作波長(zhǎng)的減小，尤其到深紫外波段，由于沒(méi)有合 適的光學(xué)材料，只好采用反射式光路結(jié)構(gòu)。反射式的光路對(duì)系統(tǒng)的像差矯正極為困難。如 今，商業(yè)光刻技術(shù)中，波長(zhǎng)已經(jīng)到了 193nm，基本接近技術(shù)極限。于是，一些實(shí)現(xiàn)超越衍射極 限的超分辨技術(shù)先后被提出，尤其是一些遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨技術(shù)。更進(jìn)一步，在實(shí)現(xiàn)橫向超分辨同 時(shí)，依然要求保證較大的軸向焦深。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝置，該裝置 通過(guò)在常規(guī)激光直寫(xiě)光路聚焦物鏡的入射光瞳處加入復(fù)合渦旋相位調(diào)制，可以在聚焦物鏡 的后場(chǎng)產(chǎn)生雙瓣聚焦光斑，這可以使激光直寫(xiě)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)百納米級(jí)橫向分辨率，同時(shí)擁有相 對(duì)低數(shù)值孔徑聚焦下的焦深，因而對(duì)激光直寫(xiě)系統(tǒng)性能提升有重要實(shí)用價(jià)值。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0005] -種基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝置，構(gòu)成包括405納米藍(lán)光半導(dǎo)體 激光器組成光路、650納米紅光半導(dǎo)體激光器組成光路和控制計(jì)算機(jī)及相關(guān)控制反饋系統(tǒng)； 沿所述的405納米藍(lán)光半導(dǎo)體激光器輸出的光路上依次是第一準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡、圓偏振鏡片 組、1 /2波片、第一分束鏡、空間光調(diào)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(qū)動(dòng)器、光刻樣品和電控二維移動(dòng)平臺(tái)；沿所述 的650納米紅光半導(dǎo)體激光器輸出光路方向依次是第二準(zhǔn)直擴(kuò)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(cè)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(zhuǎn)臺(tái)上，其特點(diǎn)是在所述的第一分束鏡 的反射光方向有空間光調(diào)制器，所述的空間光調(diào)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(jì)算機(jī)與所述的電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)、空間光調(diào)制器、四象限探測(cè)器、自聚焦伺服驅(qū) 動(dòng)器和電控二維移動(dòng)平臺(tái)控制相連。
[0006] 所述的405納米藍(lán)光半導(dǎo)體激光器和650納米紅光半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)50%反射、50%透射。
[0008] 所述的二向色性分束鏡對(duì)405納米激光呈高效率反射，對(duì)650納米紅光呈高效率 透射。
[0009] 所述的電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)使所述的1/2波片的主光軸方向在0?2JI范圍內(nèi)調(diào) 節(jié)。
[0010] 所述空間光調(diào)制器是純相位調(diào)制，所述的空間光調(diào)制器在入射光中加載的相位分 布為復(fù)合渦旋相位分布；所述的復(fù)合渦旋相位分布的透過(guò)率函數(shù)滿足關(guān)系式
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝置，構(gòu)成包括405納米藍(lán)光半導(dǎo)體激 光器（1)組成光路、650納米紅光半導(dǎo)體激光器（17)組成光路和控制計(jì)算機(jī)（22)及相關(guān) 控制反饋系統(tǒng)；沿所述的405納米藍(lán)光半導(dǎo)體激光器（1)輸出的光路上依次是第一準(zhǔn)直擴(kuò) 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(diào)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(qū)動(dòng)器（14)、光刻樣品（15)和電控二維移動(dòng)平臺(tái)（16); 沿所述的650納米紅光半導(dǎo)體激光器（17)輸出光路方向依次是第二準(zhǔn)直擴(kuò)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(cè)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(zhuǎn)臺(tái)（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(diào)制器（7)，所 述的空間光調(diào)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(jì) 算機(jī)（22)與所述的電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)（5)、空間光調(diào)制器（7)、四象限探測(cè)器（21)、自聚焦伺服驅(qū) 動(dòng)器（14)和電控二維移動(dòng)平臺(tái)（16)控制相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于所 述的405納米藍(lán)光半導(dǎo)體激光器（1)和650納米紅光半導(dǎo)體激光器（17)均為光纖耦合輸 出單模激光器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)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(shí)現(xiàn)50%反射、50%透射。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于所 述的二向色性分束鏡（10)對(duì)405納米激光呈高效率反射，對(duì)650納米紅光呈高效率透射。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于所 述的電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)（5)的旋轉(zhuǎn)使所述的1/2波片（4)的主光軸方向在0?2JI范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于所 述空間光調(diào)制器（7)是純相位調(diào)制，所述的空間光調(diào)制器（7)在入射光中加載的相位分布 為復(fù)合渦旋相位分布；所述的復(fù)合渦旋相位分布的透過(guò)率函數(shù)滿足關(guān)系式
其中，勿為歸一化極坐標(biāo)；鐘為相鄰環(huán)區(qū)初始延遲相位差；rn為第η個(gè)環(huán)區(qū)的半 徑，η = 1，2，···，Ν;Ν為環(huán)區(qū)的總數(shù)目；CirC(r)為圓孔函數(shù)：
所述的復(fù)合渦旋相位分布是多環(huán)區(qū)結(jié)構(gòu)，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(shù)N至少大于或等于10。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于， 通過(guò)調(diào)節(jié)所述的空間光調(diào)制器（7)改變復(fù)合渦旋相鄰環(huán)區(qū)初始相位差鐘和調(diào)節(jié)電控旋轉(zhuǎn) 臺(tái)（5)改變通過(guò)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于復(fù)合渦旋雙瓣聚焦光斑的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于所 述的電控二維移動(dòng)平臺(tái)（16)相對(duì)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(shí)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(hào)】G03F7/20GK104111590SQ201410317829
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】余俊杰, 周常河, 賈偉, 盧炎聰, 李樹(shù)斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所