[发明专利]基于光纤选模耦合器的多通道并行式超分辨直写光刻系统

说明书

本发明公开了一种基于光纤选模耦合器的多通道并行式超分辨直写光刻系统，该系统的激光直写过程是通过激发光的双光子效应引发负性光刻胶的光聚合实现的，并且引入一束环形抑制光束来阻止激发光焦斑边缘区域内的光刻胶进行光聚合，使直写式光刻的最小特征尺寸突破光学衍射极限限制。所述的激发光束和其对应的环形抑制光束均由同一光纤选模耦合器产生，两光束从选模耦合器出射时具有天然的同轴传输特性。通过在系统中复用多个上述光纤选模耦合器，以及光纤开关阵列和其它光学和机械元件的协调控制，有望实现超万束的大规模并行式直写，极大地提升直写式光刻系统的运行效率。

技术领域

本发明属于光学技术领域及光学微加工制造领域，尤其涉及一种基于光纤选模耦合器的多通道并行式超分辨直写光刻系统。

背景技术

直写式光刻技术在当今众多科研领域和制造领域发挥着举足轻重的作用。例如制造高精密光学微透镜、生物学和医学中的微支架结构、在大规模集成电路的生产过程中用于制造光学掩模版等。目前直写式光刻技术主要面临两大问题：

一是由于光学系统存在衍射极限，用于光刻的光束所汇聚成的焦斑直径最小只能达到其波长的一半量级，而直写式光刻是通过其焦斑引发光刻胶的变性来进行加工的，所以理论上这种光刻技术实现的最小特征尺寸无法低于所采用光源波长的一半。若采用可见光作为直写式光刻的光源，则所得的最小特征尺寸无法低于200nm，而这种特征尺寸已经无法满足很多实际应用的需求。

二是由于直写式光刻是在光刻胶样品池采用逐点曝光的方法来实现三维结构的构建，其刻写速度较通过掩模版的大面积曝光方法而言非常之慢。目前已有一些负性光刻胶，其初始状态为液体，光刻胶分子可通过同时吸收激发光中的两个光子发生光聚合反应。这种双光子激发只有在激发光功率密度非常大的区域才有大概率发生，相当于缩小了激发光汇聚焦斑的有效作用范围。另一方面，这种负性光刻胶还会因另一特定波长的光的辐照而无法进行光聚合，这种波长的光被成为抑制光。通过使环形的抑制光覆盖激发光焦斑的外围区域，也可有效缩小激发光的有效作用范围。

在光纤中存在一组本征模式，具有环形的光场分布特性，并且这种环形光束经大数值孔径的透镜聚焦后，其焦斑依然具有良好的暗心特性。目前已有一种光纤选模耦合器的制造技术，能够令某一特定波长的光输入选模耦合器的特定输入端口后，在特定的输出端口输出环形光束。与此同时，令其它波长的光输入选模耦合器的另一端口，可以使特定输出端口在输出具有上述第一种波长的环形光束的同时输出一束具有第二种波长的普通高斯型光束，且两光束在空间传播过程中将严格同轴。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术刻写速度慢、刻写精度受衍射极限限制的问题，提供一种基于光纤选模耦合器的多通道并行式超分辨直写光刻系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光纤选模耦合器的多通道并行式超分辨直写光刻系统，包括激发光源、抑制光源、多通道分光单元、与光纤兼容的光开关阵列、光纤选模耦合器阵列、光纤偏振态控制器阵列、对光纤选模耦合器阵列输出光场进行汇聚的空间光调制单元、三维位移台和计算机控制单元等。

激发光源发出的激发光和抑制光源发出的抑制光均依次经过多通道分光单元、光开关阵列、光纤选模耦合器阵列、光纤偏振态控制器阵列、空间光调制单元，最后到达三维位移台上搭载的光刻胶样品池。

激发光通过双光子效应在其聚焦区域引发光刻胶的光聚合；抑制光用于阻止其辐照范围内的光刻胶进行光聚合。

计算机控制单元分别控制三维位移台、光开关阵列和光纤偏振态控制器阵列。

进一步地，光开关阵列独立地控制光纤选模耦合器阵列中任一输入端的通断。

进一步地，激发光经多通道分光单元分光后，分别输入光纤选模耦合器阵列中每个光纤选模耦合器的少模输入端；抑制光经多通道分光单元分光后，分别输入光纤选模耦合器阵列中每个光纤选模耦合器的单模输入端。采用光纤选模耦合器的少模输出端所输出的光场进行直写式光刻。