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。

技术实现要素：

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。

进一步地，光纤偏振态控制器阵列安装在光纤选模耦合器阵列的少模输出端尾纤上，用于将光纤选模耦合器输出的具有涡旋光场分布的抑制光，调制为特定的偏振态分布，使抑制光在后续透镜聚焦后，其焦斑仍具有暗心环形光场分布特征。

进一步地，空间光调制单元用于将光纤选模耦合器阵列的少模输出端尾纤阵列输出的总光场，汇聚于光刻胶样品池中，使激发光束阵列聚焦后的焦斑均位于同一焦平面上，使焦平面上每个激发光的焦斑大小达到衍射极限，并使焦平面上的抑制光的环形焦斑覆盖激发光的高斯型焦斑的部分外围区域。

进一步地，多通道分光单元由空间光分光器件、将空间光耦合进光纤的光纤端口耦合器以及光纤耦合器组成。多通道分光单元用于将单一光源发出的激光束平均分为功率相等的若干份，并输入后续光纤选模耦合器阵列的相应端口。

进一步地，光纤选模耦合器阵列中所有光纤选模耦合器均具有相同的特征参数。

进一步地，光开关阵列中各光开关的消光比不小于50db，光开关的最大调制频率应不低于1khz。三维位移台的三方向位移的最小步长应在纳米或亚纳米量级。

进一步地，光开关通过集成于光纤中的声光调制器或电光调制器实现。空间光调制单元由多组光学透镜组成。空间光分光器件为半波片和偏振分束器。

进一步地，计算机控制单元用于控制三维位移台的位移、控制光刻过程中每一时刻光纤阵列中不同光纤的通断、控制光纤选模耦合器少模输出端的光纤偏振态控制器以保持抑制光具有环形焦斑。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用与激发光和抑制光相匹配的负性光刻胶进行光刻，激发光可引发其焦斑范围内光刻胶的光聚合，而抑制光将阻止其辐照范围内的光刻胶的光聚合的发生。所以通过抑制光的引入，激发光实际能引起光刻胶光聚合的范围大大缩减，使光刻的特征尺寸可以突破衍射极限的限制；

(2)本发明通过计算机控制单元全局控制并行式直写光刻过程，包括通过光纤开关阵列实时控制每个光纤选模耦合器是否有光输出，以及通过搭载光刻胶样品池的精密三维位移台实时控制阵列式光场焦斑对样品池中某些特定位置进行曝光。曝光后的光刻胶样品池经显影液显影后即可获得所需的三维结构。由于光纤选模耦合器的特性，所输出的激发光束与抑制光束天然具有同轴特性，无需复杂的光路对准；并且光纤选模耦合器的制作成本较低，复用性好，通过这种方案，有望实现万束以上的大规模并行式超分辨直写。

附图说明

图1为抑制光从单模输入端输入光纤选模耦合器的功能示意图；其中，当抑制光以光纤基模形式从单模输入端输入选模耦合器时，少模输出端输出为环形光束，单模输出端输出为普通高斯型光束；

图2为激发光从少模输入端输入光纤选模耦合器的功能示意图；其中，当激发光以光纤基模形式从少模输入端输入选模耦合器时，少模输出端和单模输出端输出均为普通高斯型光束；

图3为本发明的一种7通道并行式直写系统的示意图；

图4为本发明中实现超分辨直写式光刻的焦斑示意图；其中，左边为激发光形成的焦斑，中间为抑制光形成的环形焦斑，右边为在激发光与抑制光共同作用下，实际能够引发光刻胶光聚合的有效光斑作用范围；

图5为采用9通道并行式激光直写系统刻写“s”型单层结构的流程示意图；

图中：1、抑制光源；2、第一半波片；3、第一偏振分束器；4、第一光纤端口耦合器；5、第一1×4光纤耦合器；6、第一光纤声光调制器；7、第二光纤声光调制器；8、第三光纤声光调制器；9、第四光纤声光调制器；10、激发光源；11、第二半波片；12、第二偏振分束器；13、第二光纤端口耦合器；14、第二1×4光纤耦合器；15、第五光纤声光调制器；16、第六光纤声光调制器；17、第七光纤声光调制器；18、第八光纤声光调制器；19、第一光纤选模耦合器；20、第二光纤选模耦合器；21、第三光纤选模耦合器；22、第四光纤选模耦合器；23、第一光纤偏振态控制器；24、第二光纤偏振态控制器；25、第三光纤偏振态控制器；26、第四光纤偏振态控制器；27、第三半波片；28、第三偏振分束器；29、第四半波片；30、第四偏振分束器；31、第三光纤端口耦合器；32、第四光纤端口耦合器；33、第五光纤端口耦合器；34、第五半波片；35、第五偏振分束器；36、第六半波片；37、第六偏振分束器；38、第六光纤端口耦合器；39、第七光纤端口耦合器；40、第八光纤端口耦合器；41、第九光纤声光调制器；42、第十光纤声光调制器；43、第十一光纤声光调制器；44、第十二光纤声光调制器；45、第十三光纤声光调制器；46、第十四光纤声光调制器；47、第五光纤选模耦合器；48、第六光纤选模耦合器；49、第七光纤选模耦合器；50、第五光纤偏振态控制器；51、第六光纤偏振态控制器；52、第七光纤偏振态控制器；53、尾纤阵列；54、扫描透镜；55、显微物镜；56、高精度三维位移台；57、计算机控制单元。

具体实施方式

本发明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，利用两种不同波长的激光光源(激发光源和抑制光源)所发出的准直光束经分光后分别入射一系列特制选模耦合器的不同输入端口，使得每个光纤选模耦合器输出两束同轴光束：一束具有普通高斯型光场分布的激发光束和一束具有环形光场分布的抑制光束。通过这种选模耦合器阵列输出的光束阵列经光学透镜组汇聚为衍射极限尺度的焦斑阵列，通过这个焦斑阵列进行并行式直写光刻。

光纤选模耦合器由两根拉锥的光纤并行组合而成；其中一根光纤对于抑制光波长而言是少模光纤，而另一根光纤对于激发光和抑制光波长而言均为单模光纤。光纤选模耦合器共有四个端口：由对于抑制光而言的少模光纤形成的输入端口，简称少模输入端；由单模光纤形成的输入端口，简称单模输入端；由对于抑制光而言的少模光纤形成的输出端口，简称少模输出端；由单模光纤形成的输出端口，简称单模输出端。本发明只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。

本发明采用的光纤选模耦合器的特性为：如图1所示，由光纤选模耦合器的单模输入端输入基模抑制光，则在其少模输出端输出一个具有环形光场分布的涡旋光束，其单模输出端输出一个具有普通高斯型光场分布的光束；如图2所示，由光纤选模耦合器的少模输入端输入基模激发光，则在其两个输出端均输出一个具有普通高斯型光场分布的光束；且光纤选模耦合器输出的抑制光束与激发光束在后续空间传播过程中，能够保证严格同轴。

为了更加清楚地阐释本发明的目的、技术方案及优点，以下结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图3所示，本发明一种基于光纤选模耦合器的7通道并行式超分辨直写光刻系统，包括抑制光源1、六个半波片、六个偏振分束器、八个光纤端口耦合器、两个1×4光纤耦合器、十四个光纤声光调制器、激发光源10、七个光纤选模耦合器、七个光纤偏振态控制器、尾纤阵列53、扫描透镜54、显微物镜55、高精度三维位移台56和计算机控制单元57。其中，高精度三维位移台56搭载光刻胶样品池；计算机控制单元57分别连接十四个光纤声光调制器、七个光纤偏振态控制器和高精度三维位移台56；所有光纤选模耦合器均具有相同的特征参数；扫描透镜54、显微物镜55均具有高数值孔径。

由激发光源1发出的激光束经由第一半波片2和第一偏振分束器3分为两束，其中一束经第一光纤端口耦合器4耦合进第一1×4光纤耦合器5的输入端，第一1×4光纤耦合器5的四个输出端分别连接四个光纤声光调制器6-9的输入端，这四个光纤声光调制器6-9的输出端又与四个光纤选模耦合器19-22的少模输入端相连。

由抑制光源10发出的激光束经由第二半波片11和第二偏振分束器12分为两束，其中一束经第二光纤端口耦合器13耦合进第二1×4光纤耦合器14的输入端，第二1×4光纤耦合器14的四个输出端分别连接四个光纤声光调制器15-18的输入端，这四个光纤声光调制器15-18的输出端又与四个光纤选模耦合器19-22的单模输入端相连。

由第一偏振分束器3分出的另一束光又经由第三半波片27和第三偏振分束器28分为两束，其中一束光又经由第四半波片29和第四偏振分束器30分为两束。经第四偏振分束器30分出的两束光和经第三偏振分束器28分出的另一束光，分别经光纤端口耦合器31-33耦合进少模光纤，这三根少模光纤分别连接三个光纤声光调制器41、43、45的输入端，这三个光纤声光调制器41、43、45的输出端又与三个光纤选模耦合器47-49的少模输入端相连。

由第二偏振分束器12分出的另一束光又经由第五半波片34和第五偏振分束器35分为两束，其中一束光又经由第六半波片36和第六偏振分束器37分为两束。经第六偏振分束器37分出的两束光和经第五偏振分束器35分出的另一束光分别经光纤端口耦合器38-40耦合进单模光纤，这三根单模光纤分别连接三个光纤声光调制器42、44、46的输入端，这三个光纤声光调制器42、44、46的输出端又与三个光纤选模耦合器47-49的单模输入端相连。

光纤选模耦合器19-22、47-49的少模输出端尾纤上分别安装一个光纤偏振态控制器23-26、50-52。经光纤偏振态控制器23-26、50-52调制的七根光纤选模耦合器少模输出端尾纤，通过v型槽紧密排列成尾纤阵列53(输出端尾纤卡在水晶头的v型槽中)，其输出的阵列光场经扫描透镜54和显微物镜55聚焦，所形成的焦斑阵列位于高精度三维位移台56上搭载的光刻胶样品池中。其中，高精度三维位移台56用来控制搭载在其上的光刻胶样品池的x,y,z三方向的位移，配合光纤声光调制器，使激发光束焦斑在光刻胶样品池中的特定空间位置产生，并引发该位置光刻胶的光聚合。光纤选模耦合器的少模输出端尾纤的排列形式可以为紧密排列的一行，也可以为一个矩阵。一种典型的实现方法是将包层直径为125微米的裸光纤按需求精确放置于特制的光纤定位模具(开有v型槽的水晶头)中，并对尾纤阵列53的输出端面进行切割和研磨，使阵列中每根光纤的输出端面都处于同一平面上。

计算机控制单元57负责光刻过程中的全局控制，包括控制光纤声光调制器6-9、15-18、41-46来实时控制每路激发光与抑制光的通断、控制光纤偏振态控制器23-26、50-52来实时调整抑制光焦斑的环形光场分布，以及控制高精度三维位移台56的位移来实现光刻光斑在光刻胶样品池中的三维移动等。

本发明中对光纤选模耦合器阵列输出的光场进行汇聚的透镜组，需要经过特殊的设计以达到消色散、消场曲等功能，最终实现：光束阵列中的激发光经系统中最后一个透镜聚焦后的焦点位于同一平面内，且焦平面上各焦斑的相对位置与光纤阵列出射时各激发光束的相对位置成等比例缩小关系；抑制光阵列光束经系统中最后一个透镜聚焦后的环形焦斑位于同一平面内，且抑制光阵列的焦平面与激发光阵列的焦平面相同或十分接近；且在激发光的焦平面上，每个激发光的高斯型光斑的大部分外围区域均被对应的抑制光环形光斑覆盖；如图4所示，通过抑制光束阻止光刻胶的光聚合，使得激发光束焦斑实际能引发光刻胶光聚合(双光子效应)的有效范围大大缩减，以达到突破衍射极限的光刻特征尺寸。

本实施例具体实施过程中，通过调节第一半波片2、第二半波片11、第三半波片27、第四半波片29、第五半波片34、第六半波片36依次相对于第一偏振分束器3、第二偏振分束器12、第三偏振分束器28、第四偏振分束器30、第五偏振分束器35、第六偏振分束器37的旋转角度，使激发光源经由分光单元分光并输入后续光纤阵列的每路光功率近似相等。并且本实施例采用的第一1×4光纤耦合器5和第二1×4光纤耦合器14的四路输出具有1：1：1：1的分光比。

本发明在实际应用系统中通过自由增减半波片、偏振分束器、光纤端口耦合器以及光纤耦合器的数量，可实现任意通道数的输入激发光和抑制光的产生。另外由于光纤选模耦合器的制作成本较低、复用性强，很容易通过该器件构建大规模并行式直写系统。

如图5所示，为采用本发明一种基于光纤选模耦合器的9通道并行式超分辨直写光刻系统，刻写单层“s”型结构的过程，该系统中九个光纤选模耦合器的少模输出端尾纤被排列成等间距的3×3矩阵。光刻开始前，先由计算机控制单元57将所需图案“s”型分解为若干体微元；其中，每个体微元的大小范围即为抑制光与激发光束焦斑共同作用下，实际能引发光刻胶光聚合的有效范围。光刻开始时令3×3的有效焦斑矩阵位于分解后的“s”型图案所在矩阵的左上角，之后通过控制高精度三维位移台56的位移，使3×3有效焦斑矩阵在光刻胶样品池中沿特定轨迹遍历“s”型图案区域，并在高精度三维位移台56移动过程中实时通过各光纤声光调制器实时控制3×3有效焦斑矩阵中各点的亮灭，引发“s”型图案区域内每一点光刻胶的光聚合。最后通过显影步骤将未发生光聚合的光刻胶清洗掉，即可得到所需的光刻图案“s”。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的原理和精神，均应涵盖在本发明的保护范围内。