[发明专利]基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置

说明书

本发明公开了基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，激光器波长在采用的光刻胶或光敏树脂的感光范围内；激光器出射的激光经扩束镜和4f系统扩束后，使激光束的1/e²半径大于空间光调制器的填充对角线长度；针孔在双透镜系统的焦点处滤除光束旁瓣；空间光调制器的显示面板为硅基液晶；在空间光调制器上加载计算机全息图，再经傅里叶透镜进行傅里叶变换，在傅里叶透镜后焦面出可得到预期光场相位分布。利用空间光调制器加载加工图形的计算机全息图，在加工平面对图形进行重现，无需制作相位板,更灵活高效。加工立体微纳结构时，利用点源计算法重构三维光场，可实现结构的一次体积成型，无需逐层或逐点打印，提高了加工速度。

技术领域

本发明涉及一种基于液晶空间光调制器的平面和立体微纳加工装置，属于光刻技术领域。

背景技术

光刻技术是利用特定波长的光束在光刻胶表面的特定区域进行曝光，从而实现对应区域图形化的一种微加工技术。目前主流的光刻技术按照曝光时是否需要掩模版分为掩模曝光光刻技术和无掩模光刻技术。掩模曝光光刻技术大多是通过特定波长的光束照射在固定尺寸的掩模版上，由掩模版的材料性质决定光能够透过的区域，从而在掩模版下方指定区域内完成图形化曝光的过程。掩模光刻已经被广泛应用于半导体工业制程，其加工精度高，适合用于大批量加工。但是掩模板的设计制造十分复杂，成本高昂，且掩模板制造完成后只能用于特定图形的加工，应用于小批量的光刻加工可行性不大。

因此无掩模光刻技术得到了快速发展，目前基于波前调制的无掩模光刻技术有干涉光刻术、激光直写和DMD(Digital Micromirror Device,数字微镜器件)投影曝光等。激光直写的主要局限性在于加工扫描所需的大量空间坐标与该工艺固有的串行特性之间的矛盾，限制了其大规模应用。干涉光刻术可制造毫米级别的三维周期性微纳结构，加工效率高，但无法在衬底上加工任意形状的微纳结构，不够灵活。

因此，目前研究趋势是利用可寻址元件来显示数字化掩模或计算机全息图。数字化掩模，如DMD，可以直接调制入射光的振幅，并在加工区域完成图形化曝光，但加工图案被限制为数字化掩模上的振幅图案。液晶空间光调制器通过加载计算机全息图，可调制入射光的相位，在保持较高的光利用率的条件下，生成多个焦点来并行制造任意微纳结构。此外，通过叠加透镜相位图或闪耀光栅相位图，还可以对加工图形进行轴向或横向平移，灵活高效。

为实现立体微结构的加工，常规方法是利用计算机辅助设计软件对三维模型进行分层切片，再逐层投影或逐点加工堆叠成三维模型，打印速度受到了很大的限制。同时，通过逐点和逐面的成型方式打印悬空结构时，必须要加入支撑结构，在打印完成后去除支撑结构时，往往需要物理冲洗和打磨等工艺。因此导致打印多孔结构或悬空结构等复杂结构时工艺复杂度提高，降低了打印精度。解决方案为利用空间光调制器重构三维光场，经中继系统微缩后，对光刻胶进行曝光，可实现三维微结构的一次成型，在保证加工质量的前提下大大加快了打印速度。

本发明充分利用计算机全息图的相位调制优势，开发了一款可制造平面和立体微纳结构，具备并行加工能力的小型图形化曝光装置。

发明内容

本发明提出了一种灵活的微纳加工装置,利用液晶空间光调制器的相位调控能力加载特定的相位图，对入射光的相位进行调控，可以产生二维或者三维光场,再对光敏树脂或光刻胶进行曝光成型,最终加工出平面或立体的微纳结构。

空间光调制器可以在加载加工图形的相位图的同时，叠加闪耀光栅相位图，使加工图形在加工平面上发生偏移。加工图形的偏移量可根据闪耀光栅的相位分布进行调节，进而不必使用二维线性位移台，降低整个加工系统的成本。

空间光调制器重构三维光场，经中继系统微缩后，对光刻胶进行曝光，可实现三维微结构的一次成型，在保证加工质量的前提下大大加快了打印速度。TIABC为全息打印和空间光调制器，是一种三维光场闪耀光栅空间光调制器。