飛秒倍頻雷射直寫系統及微加工方法

2023-07-20 02:34:06

專利名稱：飛秒倍頻雷射直寫系統及微加工方法
技術領域：
本發明涉及雷射微加工，特別是涉及用於微光學元件和微電子光刻金屬模板的微加工的飛秒倍頻雷射直寫系統及進行微加工的方法。
背景技術：
微電子技術的飛速發展，光電子產品集成度的不斷提高，需要光電子器件的特徵尺寸進一步縮小。為了滿足和適應微電子、光電子、集成光學及光電混合集成等技術的發展，元件微加工技術必須得到進一步的發展和提高，才能夠得到更高精度、更高質量的微精細元件，加工出尺寸越來越小的單元部件。然而隨著圖形線寬的不斷縮小，元件微加工系統的分辨能力越來越受到鄰近效應的影響。
雷射直寫是一種新興的製作微光學元件的加工方法，於20世紀80年代中期被提出。所謂雷射直寫就是由計算機控制高精度聚焦雷射束，按照設計圖形在光刻膠上掃描曝光，通過顯影后形成所需的光刻膠圖樣，與刻蝕技術結合就可以在光學元件的表面上加工出各種複雜的表面浮雕圖案。雷射直寫技術因其一次成形，器件的衍射效率和製作精度比傳統半導體工藝套刻製作的器件均有較大提高。與傳統製版技術相比，雷射直寫系統具有性能穩定、結構簡單、加工精度高、成本較低等優點，因而格外引人注目。
雷射直寫得到的元件的橫向解析度及最小特徵尺寸由聚焦後的雷射光斑尺寸決定。如果忽略定位誤差，那麼高斯雷射束所能被聚焦的最小光斑確定了解析度，它由以下公式確定
式中D0是在1/e2最大強度處的光斑直徑；NA是成像物鏡的數值孔徑；D是在1/e最大強度處的光斑直徑；λ是直寫雷射工作波長。
目前雷射直寫技術已用於製作菲涅耳透鏡、相息全息元件等各種連續表面輪廓的器件，較為常見且發展較為成熟的是採用氦-鎘氣體雷射器作為直寫光源。要想提高元件的橫向解析度、得到更小的部件特徵尺寸，根據(1)式的分析就必須縮短雷射工作波長，因而後來出現了氯化氙(308nm)、氟化氪(248nm)、氟化氬(193nm)、氟氣(157nm)雷射光源等短波長光源，並得到了深入的研究。
在先技術[1]中雷射直寫系統所採用的He-Cd雷射光源(參見Michael T.Gale，Graham K.Lang，Jeffrey M.Raynor and Helmut Schutz，「Fabrication ofmicrooptical components by laser beam writing in photoresist，」SPIE.150665～70(1991))波長輸出為442nm，利用50×的物鏡得到直徑(D)約為1.5μm的會聚焦點。該技術的缺點在於光源波長較長，根據(1)式，可知所得元件的解析度低、特徵尺寸較大，當加工線條的特徵尺寸小於1μm時，出現明顯的鄰近畸變。
隨著雷射器功率的提高，雷射燒蝕直寫技術也得到了進一步的發展。在先技術[2]中使用KrF準分子雷射器(λ＝248nm)，用全息再現的方法在聚醯亞胺膜層上燒蝕得到深度約40nm、線寬＜100nm的光柵(參見Harvey M.Phillips，Roland A.Sauerbrey，「Excimer-laser-produced nanostructures inpolymers，」Opt.Eng.32，2424-2436(1993))。由於工作波長較短，據(1)式可知能夠得到較小的光斑直徑，從而得到更小的元件特徵尺寸，但該技術的缺點在於光源相干性差且價格昂貴，加工對光源功率也有較高要求，須達到被加工物質的燒蝕閾值。後來出現的氟化氬(193nm)、氟氣(157nm)雷射光源等，也具有上述同樣的缺點。
自20世紀90年代，飛秒雷射器開始應用到加工領域。由於飛秒雷射的高脈衝功率密度，在雷射微細加工中具有獨特的優越性。鈦藍寶石飛秒雷射器研製成功後，各國學者在飛秒雷射燒蝕，即利用其非常高的脈衝功率密度與物質相互作用達到燒蝕目的這一領域進行了大量的研究工作。在先技術[3]中利用鈦藍寶石飛秒雷射(波長800nm)的倍頻光(400nm)進行雷射燒蝕得到了特徵尺寸為0.6μm的掩模(參見K.Venkatakrishnan，B.K.A.Ngoi，P.Stanley，L.E.N.Lim，B.Tan，N.R.Sivakumar，「Laser writingtechniques for photomask fabrication using a femtosecond laser，」Appl.Phys.A74，493-496(2002))。在該技術中，以金—鉻金屬層作為吸收層，高功率的飛秒雷射對其直接進行燒蝕加工得到掩模。飛秒雷射燒蝕同樣要求能量密度達到一定值時，才會有燒蝕現象出現；且因加工邊界不清楚，內部不均勻等缺點而不適合於二元光學元件的加工。
光刻膠是微電子行業中最重要的犧牲層材料之一。光刻膠通過曝光、顯影形成精細的圖案，在基底上生成或刻蝕新的材料圖形後，光刻膠再被洗去，即可得到所要的光學元件。可以這麼說，整個微電子工藝技術都是建立在光刻膠工藝技術的基礎之上的，而微光學工藝技術也是建立在光刻膠的工藝技術之上。只有和光刻膠工藝技術相兼容，才可能在微電子行業和微光學加工領域中起到重要的作用並得到廣泛應用。
飛秒雷射在微細加工方面表現出巨大的潛力，引起人們的廣泛關注。以往人們開展這方面的工作普遍採用結合放大技術的鈦寶石飛秒雷射系統，具有高功率雷射輸出，利用飛秒雷射具有高功率密度的優點對材料進行燒蝕來達到材料加工的目的。據我們所知，目前還沒有人試圖把低功率飛秒雷射通過倍頻技術對光刻膠曝光實現微細加工。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於克服上述現有技術的不足，提供一種低功率飛秒倍頻雷射直寫系統及進行微加工的方法，該系統不僅結構簡易、成本低、性能穩定，而且光刻的邊緣清晰、解析度高。
本發明的技術解決方案如下一種飛秒倍頻雷射直寫系統，包括雷射器、反射鏡、聚焦透鏡、高精度二維移動平臺和計算機，其特徵在於所述的雷射器是鈦寶石鎖模雷射器，在雷射器和反射鏡之間的光路上還設有聚焦透鏡、BBO倍頻晶體、聚焦透鏡、濾光片，該濾光片僅讓倍頻光沿光路輸出照射在高精度二維移動平臺的待加工樣品表面塗敷的光刻膠。
所述鈦寶石鎖模雷射器輸出的並經BBO倍頻晶體後的雷射是飛秒倍頻雷射，波長為400nm。
利用所述的飛秒倍頻雷射直寫系統加工微光學元件的方法，其特徵在於包括下列步驟①.在玻璃或石英或其他透明材料的基底上塗布一層光刻膠，，即待加工樣品並置於高精度二維移動平臺上；②.在計算機的控制下，移動高精度二維移動平臺，使飛秒倍頻雷射對待加工樣品進行直寫；
③.顯影后形成光刻膠圖案；④.在待加工樣品的基底上蒸鍍一層圖案或刻蝕出相應的圖案；⑤.洗去光刻膠就可獲得微光學表面加工的元器件。
利用所述的飛秒倍頻雷射直寫系統加工金屬鉻掩模板的方法，其特徵在於包括下列步驟①.在基底上的金屬鉻層的表面塗布一層光刻膠，放在高精度二維移動平臺上；②.在計算機的控制下，移動高精度二維移動平臺，並控制飛秒倍頻雷射器的發光對待加工樣品進行直寫；③.顯影后形成光刻膠圖案；④.通過腐蝕所暴露出來的金屬鉻，然後洗去光刻膠，即可製造出金屬鉻模板。
一種飛秒倍頻雷射直寫系統。由鈦寶石飛秒雷射器、顯微物鏡、BBO倍頻晶體、濾光片以及計算機控制的二維移動平臺等組成。由鈦寶石飛秒雷射器產生的低功率(150mW左右)飛秒雷射(800nm左右)經BBO晶體產生的倍頻光(400nm左右)正好在光刻膠的感光範圍內，因此就可以通過二維移動平臺的移動在光刻膠的塗層上產生所需的曝光圖案(經過顯影、定影后)，然後通過微電子工藝的刻蝕工藝，就可以加工出任意形狀的微光學元件和金屬掩模板。該直寫系統將飛秒雷射倍頻技術和微電子工藝技術相結合，提出了一種加工微電子掩模板和微光學元件的新方法。
利用飛秒雷射倍頻技術加工微電子模板和微光學元件的最基本的原因在於充分利用光刻膠的感光範圍。廣泛用於微電子及微光學工藝的光刻膠，其感光範圍一般在紫外區域，對紅光(例如800nm的紅光)是不敏感的。鈦寶石飛秒雷射倍頻後的雷射(400nm)正好在光刻膠的感光範圍之內，因此飛秒倍頻雷射可以用來加工微電子模板和微光學元件，這正是本發明飛秒倍頻雷射直寫系統的核心創新點之所在。本系統無需採用複雜昂貴的雷射放大裝置而直接採用鈦寶石雷射振蕩器輸出的低功率飛秒雷射就可以實現，因而可以大大降低加工成本。
另外利用飛秒雷射進行加工，與物質的熱擴散速度相比，能更快的在雷射照射部位注入能量，雷射輻照區澱積的能量難以通過熱擴散的途徑逸出輻照區域，照射的能量沒有在照射區域外損失，雷射與物質相互作用的範圍被嚴格限定，從而得到有效利用，在保證更小的圖形線寬前提下得到比使用普通雷射更高質量的加工邊緣。該系統充分利用了飛秒雷射能有效地克服光刻中近域熱效應的影響的優點，可以加工出較小尺度的光刻圖案；同時採用光刻膠的光刻工藝，可以實現銳利清晰的光刻圖案的邊界，便於加工高精度的微電子器件和微光學器件。
與在先技術相比，該發明的優點在於(1)飛秒倍頻雷射(400nm)正好在光刻膠的感光範圍，因而該技術可以在微電子和微光學的加工工藝技術中得到廣泛應用；(2)發揮飛秒雷射微加工的各種優勢，有效克服光學曝光過程中的鄰近效應，大大降低最小圖像尺寸，提高加工邊緣質量；(3)所用工作波長較短，有利於得到高解析度的加工元件；(4)由於所用光源系統不需放大，大大降低了系統成本，此外系統性能穩定，適合於加工微電子模板和微光學元件。


圖1是該發明的裝置圖。其中1是鈦寶石鎖模雷射器，；2、4、7分別是顯微物鏡L1、L2、L3；3是與雷射器波長等相關參數相匹配的BBO晶體；5是將倍頻光與基頻光分開的濾光片；6是反射鏡；8是表面塗有光刻膠的待加工樣品；9是高精度二維移動平臺；10是用來操縱9的電腦。
圖2(a)是飛秒倍頻雷射直寫製作微光學元件示意圖。其中7是會聚透鏡；8a是光刻膠；8是基底(玻璃或石英)。(b)是飛秒倍頻雷射直寫製作金屬鉻掩模板示意圖。其中7是會聚透鏡；8b是金屬鉻。
圖3是利用飛秒倍頻雷射直寫系統加工微光學元件及金屬鉻掩模板的加工簡易流程圖。
圖4是利用飛秒雷射倍頻技術加工得到的金屬鉻掩模板的光學顯微鏡圖片。
圖5是在玻璃基底上表面刻蝕加工得到二臺階位相光柵，表面刻蝕形貌由Taylor-Hobson臺階儀測量的結果。其表面刻蝕深度為0.7μm，刻蝕寬度為15μm，光柵周期為124μm。
具體實施例方式本發明飛秒倍頻雷射直寫裝置，裝置示意圖如圖1所示。其中鈦寶石飛秒雷射器中心波長在800nm左右，輸出功率在150mW左右，脈衝寬度為20fs～50fs，重複頻率為80MHz；顯微物鏡L12、L24、L37的放大倍數/數值孔徑分別是10×/0.25、4×/0.1、40×/0.65；匹配角θ＝29.60的BBO晶體5，大小為5×5×0.4mm3；使用計算機編程控制的MM-3M-F-1.5-GR256型移動平臺9，其移動精度0.1微米。
圖2是利用本發明的飛秒倍頻雷射直寫系統加工微光學元件和微電子金屬鉻掩模板示意圖。圖2(a)為利用飛秒倍頻雷射直接加工微光學元件玻璃或石英等透明材料的基底塗布上一層光刻膠，經過飛秒倍頻雷射直寫並顯影后就形成了光刻膠的圖案；在光學基底上就可以蒸鍍一層圖案或刻蝕出相應的圖案；洗去光刻膠就得到微光學表面加工的元器件。圖2(b)利用飛秒倍頻雷射加工金屬鉻的模板。我們知道，在微電子和微光學的大量複製技術中，金屬鉻的模板是目前最常用的金屬模板之一，金屬鉻的上面通常用光刻膠作為光刻掩膜的犧牲層。飛秒倍頻雷射使光刻膠曝光後，就可以通過腐蝕暴露出來的金屬鉻製造出金屬鉻模板。利用鉻掩模就可以實現微電子和微光學元件的低成本批量生產。
圖3給出了該工藝流程簡易圖。利用該飛秒倍頻雷射直寫系統，選擇適當的功率輸出及二維移動平臺的移動速度，以控制光刻膠的準確曝光量；得到的直寫圖案經過顯影、定影后得到光刻圖案；對光刻圖案進行刻蝕後將光刻膠洗去就可以得到微光學元件。如果加工金屬鉻掩模板，則在得到光刻圖案後需要先腐蝕暴露出的金屬鉻，然後將光刻膠洗去，即可得到金屬鉻掩模板。
在雷射光源輸出功率為110mW時，我們成功地利用該直寫系統加工出多種光學元件及掩模板圖形，利用圖2(a)所示的方法和圖3的工藝流程，我們成功地加工出各種掩模板，圖4所示為開口為85μm周期為248μm的鉻掩模板，從圖中可以看出該模板的加工邊界銳利清晰，利用該掩模板作為母版就可以利用微電子和微光學元件低成本批量生產的複製技術大量地生產周期為248μm的位相光柵；利用圖2(b)所示的方法和圖3的工藝流程，我們加工出多種光學元件。在玻璃基底得到開口為15μm周期為124μm的二相光柵，其表面刻蝕形貌由Taylor-Hobson臺階儀測量，結果如圖5所示。為了更清楚的觀察光柵的邊緣質量，圖中僅給出光柵圖樣的一部分，可以看出加工得到較高的光柵邊緣質量。
此外通過相應的電腦程式來控制二維移動平臺的移動，我們可以得到幾乎任意形狀的光刻圖樣。這些實驗結果充分證明利用該飛秒雷射倍頻直寫系統確實可以直接加工出高質量的微光學元件及金屬鉻掩模板。本發明將飛秒雷射通過倍頻技術運用到微電子工藝和微光學加工工藝中，裝置簡單、成本低，與光刻工藝完全匹配，是飛秒雷射的一個重要應用方向，具有重要的應用前景和實用價值。
權利要求
1.一種飛秒倍頻雷射直寫系統，包括雷射器(1)、反射鏡(6)、聚焦透鏡(7)、高精度二維移動平臺(9)和計算機(10)，其特徵在於所述的雷射器(1)是鈦寶石鎖模雷射器，在雷射器(1)和反射鏡(6)之間的光路上還設有聚焦透鏡(2)、BBO倍頻晶體(3)、聚焦透鏡(4)、濾光片(5)，該濾光片(5)僅讓倍頻光沿光路輸出照射在高精度二維移動平臺(9)的待加工樣品(8)表面塗敷的光刻膠。
2.根據權利要求1所述的飛秒倍頻雷射直寫系統，其特徵在於所述鈦寶石鎖模雷射器(1)輸出的並經BBO倍頻晶體(3)後的雷射是飛秒倍頻雷射，波長為400nm。
3.利用權利要求1所述的飛秒倍頻雷射直寫系統加工微光學元件的方法，其特徵在於包括下列步驟①.在玻璃或石英或其他透明材料的基底上塗布一層光刻膠，，即待加工樣品並置於高精度二維移動平臺(9)上；②.在計算機(10)的控制下，移動高精度二維移動平臺(9)，使飛秒倍頻雷射對待加工樣品(8)進行直寫；③.顯影后形成光刻膠圖案；④.在待加工樣品(8)的基底上蒸鍍一層圖案或刻蝕出相應的圖案；⑤.洗去光刻膠就可獲得微光學表面加工的元器件。
4.利用權利要求1所述的飛秒倍頻雷射直寫系統加工金屬鉻掩模板的方法，其特徵在於包括下列步驟①.在基底(8)上的金屬鉻(8b)層的表面塗布一層光刻膠(8a)，放在高精度二維移動平臺(9)上；②.在計算機(10)的控制下，移動高精度二維移動平臺(9)，並控制飛秒倍頻雷射器的發光對待加工樣品(8)進行直寫；③.顯影后形成光刻膠圖案；④.通過腐蝕所暴露出來的金屬鉻，然後洗去光刻膠，即可製造出金屬鉻模板。
全文摘要
一種飛秒倍頻雷射直寫系統及微加工方法，該直寫系統包括雷射器、反射鏡、聚焦透鏡、高精度二維移動平臺和計算機，其特徵在於所述的雷射器是鈦寶石鎖模雷射器，在雷射器和反射鏡之間的光路上還設有聚焦透鏡、BBO倍頻晶體、聚焦透鏡、濾光片，該濾光片僅讓倍頻光沿光路輸出照射在高精度二維移動平臺的待加工樣品表面塗敷的光刻膠。本發明的特點是利用雷射器發出的低功率飛秒倍頻雷射進行直寫，與光刻方法相結合進行微加工，該系統不僅結構簡易、成本低、性能穩定，而且光刻的邊緣清晰、解析度高。
文檔編號B23K26/36GK1493429SQ0315051
公開日2004年5月5日 申請日期2003年8月22日 優先權日2003年8月22日
發明者周常河, 孫曉慧 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所