[发明专利]一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法和装置

说明书

本发明提供了一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法和装置，包括偏振控制模块、准直扩束系统、激发光束阵列掩膜、偏振分光镜、四光束干涉形成的抑制光虚拟掩膜、聚焦高数值孔径物镜以及三维可控精密位移台等主要装置，所述的空间光调制器实时连续加载不同的计算全息图实现激发光束阵列子光束的开光，从而实现不同图案的直写。四光束两两呈一定角度干涉形成光学掩膜作为抑制光阵列，从而提高直写分辨率。这使得该系统的直写效果更加丰富，直写效率与分辨率进一步提高，有效解决了现有激光直写系统直写速度慢分辨率低等问题。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法和装置。

背景技术

激光直写技术在半导体制造中日趋重要，同时在光学衍射元件、三维功能型传感器、生物医学光子学等领域发挥关键的作用。激光直写技术的发展直接影响高端芯片、传感器等制造。目前激光直写技术主要包括有掩膜和无掩膜技术两种。无掩模技术中主要包括电子束直写光刻、激光直写光刻等。激光直写光刻技术拥有低成本、使用环境友好等优势被人们广泛研究。然而，在高精度、大面积光刻的发展趋势下，直写速度的提升，是超分辨激光直写技术走向产业应用的必要要求，刻写效率是非常重要的因素。现有的激光直写技术，通常利用单一光源，利用逐点直写这种串行加工方式进行加工，存在刻写速度慢，效率低等问题。约束激光直写技术发展的另一个问题就是直写的分辨率。如何提高刻写分辨率一直是光刻研究领域的重要方向。然而，传统的单光束并行激光直写系统受到衍射极限的限制。在光学成像领域，受激辐射损耗(STED)技术在显微成像领域打破衍射限制实现了更高的分辨率，响应了材料学、生物医学对微纳尺度观测的需求，同时也为激光直写技术领域提供了新的超分辨率方法。典型的双光束STED纳米激光直写系统中一束为写入光，另一束为控制写入光的涡旋光，涡旋光能够用于STED激光直写系统的原因在于其聚焦光场存在尺度超越衍射极限的暗场分布，因而间接利用该暗场将涡旋光作为损耗光或限制光。然而，这样超分辨率的单一光源直写加工方法都具有局限性，因此需要一种高速高通量的激光直写加工方法以适应高分辨、大尺度加工的发展要求。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中刻写速度慢、刻写分辨率低的缺点，本发明提出一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种双掩膜高通量激光超分辨激光直写方法，该方法利用激发光束阵列掩膜和抑制光虚拟掩膜生成的高通量激光聚焦入射到样品上进行超分辨激光直写；其中，所述激发光束阵列掩膜是由空间光调制器加载计算全息图生成在空间按设计需要排列的激发光束阵列；所述抑制光虚拟掩膜是由四光束交叉干涉形成的抑制光阵列；所述四光束中，两束为垂直偏振光束，两束为水平偏振光束，每束光束光强相同，光束半径大于10mm；同时，每束光束与法线的夹角相同且均小于90°。

进一步地，所述抑制光阵列产生方法为：将一水平偏振方向的激光入射至准直扩束系统，将激光的光斑直径扩大后经半波片和偏振分光镜分成第一透过光束和第一反射光束，其中第一透过光束再经过半波片和偏振分光镜分为第二透过光束和第二反射光束，第二反射光束经四分之一玻片改变为水平偏振方向后与第二透过光束形成两束水平偏振光束；第一反射光束经半波片和偏振分光镜分成第三透过光束和第三反射光束，第三反射光束经四分之一玻片改变为水平偏振方向后经半波片和偏振分光镜产生垂直偏振方向的第四反射光束，和第三透过光束经偏振分光镜产生垂直偏振方向的第五反射光束作为两束垂直偏振光束，四束光束合束两两成一定角度交叉干涉形成抑制光阵列。

进一步地，所述激发光束阵列产生方法为：

将一水平偏振方向的激光入射至准直扩束系统，将激光的光斑直径扩大后入射至空间光调制器，由空间光调制器加载计算全息图生成在空间按设计需要排列的激发光束阵列。

优选地，所述的空间光调制器的波长为相位型空间光调制器，可以提高入射光的调制效率。

其中，激光偏振方向通过偏振控制模块控制，所述偏振控制模块包括半波片和偏振片。