[发明专利]高速多光束并行激光直写装置

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米加工领域，特别是一种高速多光束并行激光直写装置，可应用于微机电系统(简称MEMS)器件制作、半导体芯片无掩模光刻、半导体掩模制作、二元光学器件制作等多个领域。

背景技术

21世纪纳米科技将成为推动世界各国经济发展的驱动力之一，将给医学、制造业、材料和信息通信等行业带来革命性的变革。激光直写技术作为众多微纳米加工手段中的一种，具有成本低、加工周期短、使用灵活、环境要求低等诸多优点，在微电子、集成光学(DOEs)、微机电系统(MEMs)，混合集成电路、微波集成电路制作方面获得广泛应用，是一种具有广阔发展前景的实用技术。

在先技术中，专利“模块化的激光直刻装置”(申请号200720072320.3)中提出一种微纳加工的激光直写装置，具有一定优点，但存在以下不足：

1.采用单光束逐点刻写样品，刻写速度过慢，在刻写大范围样品时需要时间过长。

2.无显微监视模块，无法观察样品表面情况。

3.待刻写的样品垂直于水平面，受重力影响较大，且无法装夹大范围样品。

4.以非实时的计算机为核心控制器，控制速度慢，无法实现高速刻写。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种高速多光束并行激光直写装置，要求到达刻写速度快、灵活性高、适用范围广、模块化程度高、扩展性强的特点。

本发明的基本工作原理是：被各自独立调制的多束激光，经刻写物镜会聚后成为多个光点聚焦在待刻写的样品表面，控制样品沿预先设计的路径移动的同时控制射向样品表面的各束激光的强度和脉冲时间，在样品表面多光点并行刻写出具有灰度分布的二维图形。

本发明的技术解决方案如下：

一种高速多光束并行激光直写装置，该装置的组成包括：

刻写光源调制模块，包括一台激光器、声光调制器和光谱分光镜；

刻写光头，由调焦驱动器和刻写物镜组成；

离焦检测模块，由半导体激光器、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、柱面镜、四象限光电探测器和温控单元组成；

照明与监控模块，包括照明光源、准直透镜、半透半反镜、目镜和感光元件；

样品位移台，包括样品台和样品；

主控模块，包括实时控制器和计算机；

上述元部件的位置关系如下：所述的样品水平地装夹在所述的样品台上，在一竖直的主光路上自上而下依次设置所述的感光元件、目镜、半透半反镜、第二偏振分光镜、光谱分光镜、刻写物镜和样品，所述感光元件、目镜、半透半反镜、第二偏振分光镜、光谱分光镜和刻写物镜同光轴；所述的主光路垂直所述的样品表面；

所述的声光调制器位于所述的激光器的出射光路上，所述的光谱分光镜位于所述的声光调制器的衍射光束光路上，所述的光谱分光镜的反射面与衍射光束中心成45°夹角，与主光路成45°夹角；

所述的刻写物镜固定在所述的调焦驱动器上，该调焦驱动器驱动刻写物镜沿主光路方向运动，所述的刻写物镜的光轴与所述的光谱分光镜的反射面成45°夹角；

所述的半导体激光器发出经准直后的平行激光，依次被第一偏振分光镜、第二偏振分光镜反射后，沿主光路透过所述的光谱分光镜和刻写物镜会聚在所述样品的表面，被该样品表面反射的反射光沿主光路返回，依次透过所述的刻写物镜、光谱分光镜，被第二偏振分光镜反射、透过第一偏振分光镜、柱面镜，最终落在所述的四象限探测器表面，所述第二偏振分光镜、第一偏振分光镜、柱面镜和四象限探测器同光轴，所述的温控单元包裹在半导体激光器金属外壳外；

所述的照明光源发出的非相干发散光束，被所述的准直透镜准直后，被所述的半透半反镜反射，沿主光路透过第二偏振分光镜、光谱分光镜、刻写物镜，对样品刻写区域进行照明，所述的目镜与所述的刻写物镜构成显微镜，将样品表面成像在所述的感光元件上；

所述的计算机与实时控制器相连，所述的实时控制器与所述的刻写光源调制模块、刻写光头、离焦检测模块、照明及监视模块、样品台分别相连，在所述的计算机的程序控制下，驱动各部件协调运动进行激光直写。

所述激光器为气体激光器、固体激光器或半导体激光器，

所述的调焦驱动器为压电陶瓷驱动器、音圈电机或电机位移台与压电陶瓷驱动器的组合体。

所述感光元件为电荷耦合器件，或互补式金属氧化物半导体。

所述的照明光源为发光二极管光源，或光纤冷光源。

所述的声光调制器与所述的光谱分光镜之间有双远心透镜组。