[发明专利]一种并行超分辨三维直写装置

说明书

本发明公开了一种并行超分辨三维直写装置，该装置利用实心光斑对光刻胶的聚合效应与空心光斑的抑制聚合效应，实现超衍射极限的光刻能力；将两束不同波长的光束分别经过数字微镜器件入射到相位衍射微透镜阵列上，分别形成等间距的实心光斑阵列与空心光斑阵列，且实心光斑与空心光斑的中心相重合，利用数字微镜器件的快速开关能力，对实心光斑阵列与空心光斑阵列进行快速、特异性调控，实现复杂结构的并行超分辨三维直写。本发明为基于受激辐射损耗的高通量光刻技术提供高速、可独立调控的实心光斑与空心光斑阵列；具有高分辨三维加工能力、复杂结构加工能力和快速加工能力；可以推动高速、超分辨、具有复杂结构刻写能力的三维直写技术的发展。

技术领域

本发明属于高通量纳米三维直写领域，尤其涉及一种并行超分辨三维直写装置。

背景技术

随着信息社会的发展，物联网技术的不断进步，现代信息技术进入了智能时代与万物互联网时代，人们对环境信息采集深度与广度不断提升。作为信息技术的三大基础之一，传感器技术得到越来越广泛的应用，使用数量已非常可观，并为社会生活的多个方面带来了革命性变化。

随着传感器及各种相关技术水平的不断发展，目前的传感器正朝着微型化、集成化多功能、分布式高灵敏和智能化的方向发展。传感领域对纳米尺寸结构的加工需求也逐渐从二维转向三维，从简单材料转向复杂材料，从单一结构转向复杂大面积结构。人们急需一种能够在纳米尺度上实现三维复杂结构制备，并且可以同时实现快速和大面积加工的系统，这就对加工制造技术提出了更高的挑战。

目前，以光刻为代表的微纳加工技术是进行微纳结构加工的主要方法，而早期的平面光刻方法多数应用于平面二维结构的制作，在应对三维、复杂、大面积微纳结构加工方面仍然面临着不小的挑战。目前三维微纳加工技术中最具有潜力解决三维、复杂、大面积微纳结构加工难题的是直写式刻写技术，事实上目前该类技术在三维微纳结构的制备中也最为常用。

双光子激光直写以其加工分辨率高、热效应低、加工材料广泛、加工环境要求低等优势，是三维微纳结构制备的核心技术之一。随后，科研人员将受激发射损耗（Stimulatedemission depletion, STED）技术运用到双光子激光直写技术中，进一步提高了刻写精度，达到了50nm左右的水平。该技术主要利用材料与光的非线性作用，将光反应限制在光焦点中心极小的区域来实现超高精度的三维纳米刻写。通常采用一束激发光来引发光聚合反应，一束中空形状的抑制光对激发光束与抑制光束重叠区域内的聚合反应进行限制，通过将聚合反应限制在光强中心附近，达到压缩反应区域尺寸的目的。

为了有效提高激光直写效率，科研人员尝试采用多束光并行刻写来提升刻写速度。目前并行刻写系统中用于生成空心光斑阵列的器件主要包括微透镜阵列、衍射光学元件和空间光调制器。然而，现有的并行刻写技术采用微透镜阵列与衍射光学元件产生的空心光斑阵列，常应用于大面积重复结构的刻写，无法实现对空心光斑的光场调控和特异性调控，无法很好地应对复杂三维结构的加工需求。采用空间光调制器虽然可以实现动态的相位编码，进而可以调控空心光斑阵列，对于实现并行直写具有一定的优势，不过，空间光调制器的刷新频率较慢，在加工复杂结构时依然是限制加工速度的短板。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种并行超分辨三维直写装置。本发明利用相位衍射微透镜阵列对不同波长的入射光束进行分别调制，在焦平面上形成中心重合的实心光斑与空心光斑阵列，结合数字微镜器件DMD的快速调控特点，改变入射到相位衍射微透镜阵列上的照明区域，从而控制阵列中独立作用单位（一组实心光斑和空心光斑）的“开关”情况，实现三维复杂结构的直写，具有快速、高分辨的特点。