專利名稱：基于諧波共振方法的并行激光直接寫入方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光直接寫入技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于諧波共振方法的并行激光直接寫入方法與裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的激光直寫技術(shù)均采用單點曝光模式，制作效率較低。為了提高微陣列和微結(jié)構(gòu)光學等器件的制作效率，國內(nèi)外學者作了很多有益嘗試。
專利200410017768.6“高分辨力數(shù)字化微光學灰度掩模制作系統(tǒng)及制作方法”利用兩個至三個空間光調(diào)制器組合調(diào)制寫入激光，通過精縮投影物鏡投影完成曝光制作，該發(fā)明能夠提高系統(tǒng)光強調(diào)制分辨力，但是該系統(tǒng)存在對寫入激光的功率、空間光調(diào)制器像元微鏡性能、投影物鏡系統(tǒng)的精縮倍數(shù)和像質(zhì)特性以及數(shù)據(jù)傳輸和存儲系統(tǒng)要求高、投影失真等問題，實際系統(tǒng)的寫入分辨力難以提高。
專利200410043377.1“投影曝光裝置”提供一種曝光裝置，通過像光學系統(tǒng)將DMD微鏡調(diào)制的二維圖案投影到感光材料完成曝光制作，該發(fā)明能抑制投影失真，提高MTF性能和光利用率，但是該裝置沒有調(diào)焦系統(tǒng)，使其局限在掩模、集成電路等二進制圖型的制作。
美國MIT的Dario Gil等人提出的基于波帶片物鏡陣列的無模光刻系統(tǒng)(Dario Gil，Rajesh Menon，D.J.D.Carter，H.I.Smith.Lithographic Patterning and Confocal Imaging withZone.J.Vac.Sci.Technolo.B，2000，18(6)2881-2885)，通過在系統(tǒng)引入共焦顯微調(diào)焦系統(tǒng)，可大大拓展該系統(tǒng)的制作范圍。然而，考慮波帶片單波長的工作特性，該系統(tǒng)是在同一物鏡陣列引入分別適合寫入激光和檢焦激光兩種波段的波帶片，從而使調(diào)焦系統(tǒng)與寫入系統(tǒng)分離，在實際制作中，因為光刻膠涂膠均勻性、軸系軸向跳動、基片傾斜以及微物鏡陣列制作誤差，不但增加控制難度，而且影響調(diào)焦同步性、精確性和穩(wěn)定性，目前還只能局限于掩模、集成電路等二進制圖形的制作；同時，物鏡陣列的制作難度也隨之增加，并且波帶片光利用率低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，滿足微陣列和微結(jié)構(gòu)光學等器件制作的需求，本發(fā)明提出采用基于諧波共振方法的諧衍射物鏡陣列，將寫入光束和調(diào)焦光束同步同點聚焦的寫入方法，達到實時同步調(diào)焦寫入、提高并行激光直接寫入系統(tǒng)的寫入精確性、穩(wěn)定性的目的。本發(fā)明還提供了一種基于上述方法的基于諧波共振方法的并行激光直接寫入裝置。
上述目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)一種基于諧波共振方法的并行激光直接寫入方法，該方法包含以下步驟①、由寫入激光器和檢焦激光器分別同步發(fā)出寫入激光和線性偏振檢焦激光；②、寫入激光通過聲光調(diào)制器的穩(wěn)光調(diào)制、準直擴束系統(tǒng)的準直擴束后，再通過反射鏡反射后射向空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器依據(jù)像素部，根據(jù)計算機發(fā)出的控制信號調(diào)制寫入激光，然后射向二向分色鏡；檢焦激光經(jīng)準直擴束系統(tǒng)的準直擴束后，再經(jīng)偏振分光棱鏡透射，經(jīng)λ/4波片，射向二向分色鏡；③、匯合于二向分色鏡的寫入激光與檢焦激光，共同進入投影濾波系統(tǒng)，經(jīng)其放大、濾波后，投向諧衍射物鏡陣列，再經(jīng)諧衍射物鏡陣列聚焦在基底表面分別形成曝光點組合點陣和檢焦點點陣；④、曝光點組合點陣與載有基片的氣浮工作臺聯(lián)動控制，完成任意浮雕圖形的曝光制作；檢焦點點陣被基片反射，再次依次通過諧衍射物鏡陣列、投影濾波系統(tǒng)、二向分色鏡、λ/4波片，射向偏振分光棱鏡，再經(jīng)偏振分光棱鏡反射進入離焦檢測系統(tǒng)形成離焦信號，與計算機、調(diào)焦驅(qū)動系統(tǒng)共同作用完成調(diào)焦伺服。
一種基于諧波共振方法的并行激光直接寫入裝置包括由寫入激光器11、聲光調(diào)制器12、準直擴束系統(tǒng)13、反射鏡14、空間光調(diào)制器15、投影濾波系統(tǒng)122、曝光基片124、基底工作臺125構(gòu)成的寫入激光系統(tǒng)和由檢焦激光器21、準直擴束系統(tǒng)22、偏振分光棱鏡23、λ/4波片24、離焦檢測系統(tǒng)25、調(diào)焦驅(qū)動系統(tǒng)26構(gòu)成的線性偏振檢焦激光系統(tǒng)，以及計算機126，該裝置還設(shè)有二向分色鏡121和諧衍射物鏡陣列123，其中二向分色鏡121配置在空間光調(diào)制器15下方與λ/4波片24側(cè)部的結(jié)合交點位置上；諧衍射物鏡陣列123配裝在投影濾波系統(tǒng)122下方部位上。
二向分色鏡121為對寫入激光透射、對檢焦激光反射或者對寫入激光反射、對檢焦激光透射的二向分色鏡。諧衍射物鏡陣列123為連續(xù)浮雕或臺階量化的諧衍射物鏡陣列。離焦檢測系統(tǒng)25為可依據(jù)共焦法檢焦、象散法檢焦的離焦檢測系統(tǒng)?？臻g光調(diào)制器15為數(shù)字微鏡DMD、或光柵光閥、或液晶、或MEMS空間光調(diào)制器。
基于諧波共振方法的并行激光直接寫入方法有以下特點和有益效果1、采用諧波共振原理設(shè)計方法中的微物鏡陣列系統(tǒng)，在寫入激光波長處與檢焦激光波長處獲得相同的光焦度，通過前置的二向分色鏡構(gòu)成寫入系統(tǒng)和檢焦系統(tǒng)共光路，達到寫入激光束與檢焦激光束同步同點聚焦的目的，從而可以實時同步調(diào)焦寫入，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之一；2、在設(shè)計中，利用諧衍射物鏡的諧振條件，調(diào)制衍射物鏡的浮雕深度，優(yōu)化環(huán)帶寬度及環(huán)帶數(shù)，可以避開制作工藝最小分辨力的限制，降低方法中衍射物鏡陣列的制作難度，同時提高衍射物鏡的衍射效率，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之二；本發(fā)明裝置具有如下顯著特點1、使用本發(fā)明的基于諧波共振方法的并行激光直接寫入方法的裝置，避免了因光刻膠涂膠均勻度差、軸系軸向跳動、基片傾斜以及微物鏡陣列制作誤差而影響調(diào)焦精度的缺點，可大幅度提高寫入精度，降低控制難度。
2、使用本發(fā)明的基于諧波共振方法的并行激光直接寫入方法的裝置，提高了并行激光直接寫入系統(tǒng)的寫入深度，除了適合微電子、掩模等二進制圖形的制作，更適合微陣列和微結(jié)構(gòu)光學器件的制作。


圖1是本發(fā)明裝置配置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明裝置的配置結(jié)構(gòu)立體示意圖；圖3為縱向滑套剖面示意圖；圖4為諧衍射單物鏡連續(xù)浮雕輪廓圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的基于諧波共振方法的并行激光直接寫入方法與裝置實施例作詳細說明。
如圖1所示，本發(fā)明的裝置包括寫入激光器11、聲光調(diào)制器12、準直擴束系統(tǒng)13、反射鏡14、空間光調(diào)制器15、二向分色鏡121、投影濾波系統(tǒng)122、諧衍射物鏡陣列123、曝光基片124、基底工作臺125、計算機126、檢焦激光器21、準直擴束系統(tǒng)22、偏振分光棱鏡23、λ/4波片24、離焦檢測系統(tǒng)25、調(diào)焦驅(qū)動系統(tǒng)26以及若干數(shù)據(jù)線，其中二向分色鏡121配置在空間光調(diào)制器15下方與λ/4波片24側(cè)部的結(jié)合交點位置上；諧衍射物鏡陣列123配裝在投影濾波系統(tǒng)122下方部位上，其光的運行路徑分為兩路光路一寫入激光器11發(fā)出的寫入激光，通過聲光調(diào)制器12的穩(wěn)光調(diào)制、準直擴束系統(tǒng)13的準直擴束后，再通過反射鏡14的反射，射向空間光調(diào)制器15；空間光調(diào)制器15依據(jù)像素部將寫入激光反射分束，同時，根據(jù)計算機126發(fā)出的控制信號各像素部分別調(diào)制各寫入激光束；調(diào)制后的各寫入激光束通過二向分色鏡121透射后，投射到投影濾波系統(tǒng)122，再經(jīng)其擴束放大濾波后，射向諧衍射物鏡陣列123與其相匹配的各子鏡；諧衍射物鏡陣列123將各寫入激光束聚焦，在基片124表面形成曝光點組合點陣；載有曝光基片124的基底工作臺125掃描曝光點組合點陣，完成曝光；光路二檢焦激光器21發(fā)出的線性偏振檢焦激光，通過準直擴束系統(tǒng)22準直擴束進入偏振分光棱鏡23，透過的e光作為檢焦激光，再經(jīng)λ/4波片24、二向分色鏡121的反射、投影濾波系統(tǒng)122的濾波放大、諧衍射物鏡陣列123的聚焦到曝光基片124表面，曝光基片124表面將該光束反射，再次透過諧衍射物鏡陣列123、投影濾波系統(tǒng)122、二向分色鏡121、λ/4波片24后檢焦光束由o光變?yōu)閑光，再經(jīng)偏振分光棱鏡23的反射，射向離焦檢測系統(tǒng)25形成離焦信號，與計算機126、調(diào)焦驅(qū)動系統(tǒng)26共同作用完成調(diào)焦伺服。
本發(fā)明裝置外觀立體圖如圖2所示，在被鍥形塊221所支撐的平臺222的中間設(shè)置載有表面吸附感光材料的基片124的精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺125。在平臺222上設(shè)置有橫跨精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺125的雙龍門結(jié)構(gòu)，雙龍門結(jié)構(gòu)由支柱223和橫梁226組成，支柱223固定于平臺222上。依次封裝有投影濾波系統(tǒng)122、諧衍射物鏡陣列123的縱向滑套224，通過套筒227與橫向滑套225連接，橫向滑套225與橫梁226連接，縱向滑套224可由調(diào)焦驅(qū)動系統(tǒng)26驅(qū)動沿套筒227上下移動調(diào)整。另外，縱向滑套224被套筒227和橫向滑套225所支持而能夠沿橫梁227移動。整個裝置放置在空氣彈簧地基上。
工作時，光路一寫入激光器11發(fā)出的寫入激光228，通過聲光調(diào)制器12的穩(wěn)光調(diào)制、準直擴束系統(tǒng)13的準直擴束后，再通過反射鏡14的反射，射向空間光調(diào)制器15；空間光調(diào)制器15的像素部將寫入激光反射分束，同時，根據(jù)計算機126發(fā)出的控制信號各像素部分別調(diào)制各寫入激光束；調(diào)制后的各寫入激光束通過二向分色鏡121透射后，經(jīng)由縱向滑套224在曝光基片124表面形成曝光點組合點陣；載有曝光基片124的精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺125回轉(zhuǎn)掃描，完成曝光；光路二檢焦激光器21發(fā)出的線性偏振檢焦激光229，通過準直擴束系統(tǒng)22準直擴束進入偏振分光棱鏡23，透過的e光作為檢焦激光，再經(jīng)λ/4波片24、二向分色鏡121的反射、縱向滑套224聚焦到基片124表面，基片124表面將該光束反射，再次透過縱向滑套224、二向分色鏡121、λ/4波片24后檢焦光束由o光變?yōu)閑光，再經(jīng)偏振分光棱鏡23的反射，射向離焦檢測系統(tǒng)25形成離焦信號，與計算機126、調(diào)焦驅(qū)動系統(tǒng)26共同作用，完成調(diào)焦伺服。
本裝置在不改變裝置原理的基礎(chǔ)上，可在裝置光路中適當加入反射棱鏡，以便于裝置空間布局。作為示意，裝置圖中的透鏡都采用單透鏡表示，但實際中，所畫透鏡均代表透鏡組系。本裝置中的基底工作臺125示意為精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺125，也可為精密二維工作臺。本發(fā)明的空間光調(diào)制器15以數(shù)字微鏡DMD為例，也可用光柵光閥、液晶、MEMS等類型空間光調(diào)制器。另外，本裝置必備的監(jiān)測裝置、檢測裝置以及定位裝置等裝置，因不屬本發(fā)明范疇，故未顯示及論述。
連續(xù)浮雕諧衍射物鏡理論上可以達到100％的衍射效率，如圖4所示為本發(fā)明實施方式的諧衍射物鏡連續(xù)浮雕輪廓圖，其設(shè)計參數(shù)為寫入波長λ0＝441.6nm，諧振因子p＝3，諧振波長(即檢焦波長)為λ＝662.4nm，諧振級次為m＝2，焦距f＝512μm，環(huán)帶數(shù)為3，其中諧波共振條件為λ=pλ0m·]]>利用上述的基于諧波共振方法的并行激光直接寫入裝置，本發(fā)明寫入方法的具體實施方式
包括以下步驟(1)由寫入激光器11和檢焦激光器21分別同步發(fā)出寫入激光和線性偏振檢焦激光；(2)寫入激光通過聲光調(diào)制器12的穩(wěn)光調(diào)制、準直擴束系統(tǒng)13的準直擴束后，再通過反射鏡14反射，射向空間光調(diào)制器15，空間光調(diào)制器15依據(jù)像素部，根據(jù)計算機126發(fā)出的控制信號調(diào)制寫入激光，然后經(jīng)二向分色鏡121透射；檢焦激光徑準直擴束系統(tǒng)22的準直擴束后，再經(jīng)偏振分光棱鏡23透射，經(jīng)λ/4波片24，射向二向分色鏡121并經(jīng)其反射；(3)匯合于二向分色鏡121的寫入激光與檢焦激光，共同進入縱向滑套224分別在基片124表面形成曝光點組合點陣和檢焦點點陣；(4)曝光點組合點陣與載有基片124的精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺125聯(lián)動控制，完成任意浮雕圖形的曝光制作；所述的檢焦點點陣被基片124反射，再次依次通過縱向滑套224、二向分色鏡121、λ/4波片24，射向偏振分光棱鏡23，再經(jīng)偏振分光棱鏡23反射進入離焦檢測系統(tǒng)25形成離焦信號，與計算機126、調(diào)焦驅(qū)動系統(tǒng)26共同作用，完成調(diào)焦伺服。
權(quán)利要求
1.一種基于諧波共振方法的并行激光直接寫入方法，該方法包含以下步驟①、由寫入激光器和檢焦激光器分別同步發(fā)出寫入激光和線性偏振檢焦激光；②、寫入激光通過聲光調(diào)制器的穩(wěn)光調(diào)制、準直擴束系統(tǒng)的準直擴束后，再通過反射鏡反射后射向空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器依據(jù)像素部，根據(jù)計算機發(fā)出的控制信號調(diào)制寫入激光，然后射向二向分色鏡；檢焦激光經(jīng)準直擴束系統(tǒng)的準直擴束后，再經(jīng)偏振分光棱鏡透射，經(jīng)λ/4波片，射向二向分色鏡；其特征是③、匯合于二向分色鏡的寫入激光與檢焦激光，共同進入投影濾波系統(tǒng)，經(jīng)其放大、濾波后，投向諧衍射物鏡陣列，再經(jīng)諧衍射物鏡陣列聚焦在基底表面分別形成曝光點組合點陣和檢焦點點陣；④、曝光點組合點陣與載有基片的氣浮工作臺聯(lián)動控制，完成任意浮雕圖形的曝光制作；檢焦點點陣被基片反射，再次依次通過諧衍射物鏡陣列、投影濾波系統(tǒng)、二向分色鏡、λ/4波片，射向偏振分光棱鏡，再經(jīng)偏振分光棱鏡反射進入離焦檢測系統(tǒng)形成離焦信號，與計算機、調(diào)焦驅(qū)動系統(tǒng)共同作用完成調(diào)焦伺服。
2.一種基于諧波共振方法的并行激光直接寫入裝置，包括由寫入激光器(11)、聲光調(diào)制器(12)、準直擴束系統(tǒng)(13)、反射鏡(14)、空間光調(diào)制器(15)、投影濾波系統(tǒng)(122)、曝光基片(124)、基底工作臺(125)構(gòu)成的寫入激光系統(tǒng)和由檢焦激光器(21)、準直擴束系統(tǒng)(22)、偏振分光棱鏡(23)、λ/4波片(24)、離焦檢測系統(tǒng)(25)、調(diào)焦驅(qū)動系統(tǒng)(26)構(gòu)成的線性偏振檢焦激光系統(tǒng)，以及計算機(126)，其特征是該裝置還設(shè)有二向分色鏡(121)和諧衍射物鏡陣列(123)，其中二向分色鏡(121)配置在空間光調(diào)制器(15)下方與λ/4波片(24)側(cè)部的結(jié)合交點位置上；諧衍射物鏡陣列(123)配裝在投影濾波系統(tǒng)(122)下方部位上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于諧波共振方法的并行激光直接寫入裝置，其特征是二向分色鏡(121)為對寫入激光透射、對檢焦激光反射或者對寫入激光反射、對檢焦激光透射的二向分色鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于諧波共振方法的并行激光直接寫入裝置，其特征是諧衍射物鏡陣列(123)為連續(xù)浮雕或臺階量化的諧衍射物鏡陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于諧波共振方法的并行激光直接寫入裝置，其特征是離焦檢測系統(tǒng)(25)為可依據(jù)共焦法檢焦、象散法檢焦的離焦檢測系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于諧波共振方法的并行激光直接寫入裝置，其特征是空間光調(diào)制器(15)為數(shù)字微鏡DMD、或光柵光閥、或液晶、或MEMS空間光調(diào)制器。
全文摘要
基于諧波共振方法的并行激光直接寫入方法與裝置屬于激光直接寫入方法與設(shè)備；本方法將匯合于二向分色鏡的寫入激光與檢焦激光共同進入投影濾波系統(tǒng)、諧衍射物鏡陣列，在基片表面分別形成曝光點組合點陣和檢焦點點陣；曝光點組合點陣與載有基片的工作臺聯(lián)動控制，完成任意浮雕圖形的曝光制作；檢焦點點陣被基片反射，再次通過諧衍射物鏡陣列、投影濾波系統(tǒng)、二向分色鏡、λ/4波片、偏振分光棱鏡后，反射進入離焦檢測系統(tǒng)形成離焦信號，與計算機、調(diào)焦驅(qū)動系統(tǒng)共同作用完成調(diào)焦伺服；其裝置配裝二向分色鏡和諧衍射物鏡陣列；本發(fā)明可以實現(xiàn)同步調(diào)焦寫入，提高衍射物鏡的衍射效率。
文檔編號H01L21/02GK1952789SQ20061015098
公開日2007年4月25日 申請日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月3日
發(fā)明者譚久彬, 單明廣, 劉儉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學