减少焦平面变形的光束聚焦装置和方法

专利名称：减少焦平面变形的光束聚焦装置和方法
技术领域：
本发明涉及减少焦平面变形的光束聚焦方法和系统，特别适合应用于多光子立体 光刻成型。
背景技术：
多光子立体光刻成型，如双光子立体光刻成型，是一门新兴的、有前景的技术，具 有许多潜在的应用，例如应用于半导体产业中，用于光子学器件，应用于无线通讯产业中， 用于微机电系统(MEMS)或纳机电系统(NEMS)，应用于快速成型工业中，应用于组织工程 中，以及应用于化学与制药工业中。多光子立体光刻成型(如双光子聚合反应)是利用局 部多光子吸收/激发来引起目标物的结构转变。当多个光子在一个较小的空间体积内同时 出现，并且光子的总能量与激发目标物中的电子所需的激发能相等时，可发生多光子吸收。 这些光子能够同时被吸收，并伴随电子的激发。被激发的电子随后能够引起目标物中的化 学反应(如聚合反应)。通过控制多光子吸收/激发在目标物中发生的位置，例如通过将光 束聚焦在目标物中选定的焦点上并按照预设的图案移动焦点，这样在精确的控制下，例如 在亚微米分辨率下，能够对较小的三维目标物进行操作和构造。目前已知的多光子立体光刻成型技术具有一些缺陷。例如，为了提高多光子吸收 效率，最后的物镜通常会浸入油中，以获得高分辨率和大数值的孔径。然而，现有技术中带 有油浸物镜的产品生产量相对较低，这与很多因素有关，例如光学元件的有限尺寸，扫描速 度低(一报道的扫描速度约为16微米/秒)，以及有限的扫描体积(扫描高度通常少于 1mm)。目标物和镜头都可能会被浸镜油污染。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供一个多光子立体光刻成型系统。该系统包括光源、光 束扩展器、聚焦装置、扫描器和控制器。其中，该光源所产生的光束具有一可诱发目标材料 发生多光子吸收的波长；该光束扩展器包括一个散光透镜和一个聚光透镜，位于光束路径 上，用于扩展通过透镜的光束以产生准直光束，准直光束的散度取决于散光透镜与聚光透 镜之间的距离；该聚焦装置包括一个干燥的物镜，位于准直光束的路径上，用于将准直光束 聚焦在目标材料上以诱发目标材料在聚焦光束的束腰处发生多光子吸收；该扫描器设置在 准直光束路径上，位于光束扩展器与聚焦装置之间，用于将准直光束转向聚焦装置，以将光束束腰在连续扫描位点上扫描穿过目标材料；而控制器是基于当前的扫描位点，对散光透 镜与聚光透镜之间的距离调节进行控制，由此光束束腰可充分扫描在所有连续扫描位点所 在的平面上。每个连续扫描位点都可以与一个单独的预设长度相关联，控制器可以将散光 透镜与聚光透镜之间的距离调节为与当前扫描位点相关联的预设长度。控制器可以与光 束扩展器和扫描器进行通信，从而使距离的调节与准直光束的扫描同步进行。所述的多光 子吸收可以是双光子吸收。该光源可以发射脉冲光束，其峰值功率大于310kW，而平均功率 约为50mW至4W。其平均功率可以大于2. 5W。该系统可以包括一个支架，用于支承目标材 料。该支架可以是可调节的，可将目标材料运送向物镜并将目标材料安置在邻近物镜的位 置上，由此，目标材料与所述的平面相交。该系统可以包括一个隔离器，位于邻近光源的位 置上，以将光源与反射光隔离开来。该系统包括一个遮光器，位于隔离器的下游，用于选择 性地透射光束。该光源可以是激光光源，其波长范围约为700nm至1020nm。该干燥物镜的 数值孔径可以约为0.4至0.9。该聚焦装置可以是显微镜。该扫描器可以是检流计扫描器。 所述的平面可以垂直于干燥物镜的光轴。根据本发明的另一个方面，提供一种多光子立体光刻成型方法，该方法包括产生 一束具有可诱发目标材料发生多光子吸收的波长的光束；通过一个由散光透镜和聚光透镜 组成的光束扩展器扩展光束，以产生一束准直光束，该准直光束的散度取决于散光透镜与 聚光透镜之间的距离；通过一个包含干燥物镜的聚焦装置将准直光束聚焦在目标材料上， 以诱发目标材料在聚焦光束的束腰处发生多光子吸收；将准直光束转向聚焦装置，以将聚 焦光束在连续扫描位点上扫描穿过目标材料；基于当前的扫描位点对散光透镜与聚光透镜 之间的距离进行调节，由此光束束腰可在所有连续扫描位点所在的平面上进行充分扫描。 每一个连续扫描位点都可以分别与一个预设长度相关联，而散光透镜与聚光透镜之间的距 离可以根据与当前扫描位点相关联的预设长度来调整。光束的转向与距离的调节可以同步 进行。光束可以由激光光源产生，并与反射的激光相隔离。目标材料可以相对于物镜移动， 从而相对于物镜对目标材料进行重新定位。所述的多光子吸收可以是双光子吸收。光波的 波长范围约为700nm至1020nm。干燥物镜的数值孔径可以约为0. 4至0. 9。光束可以是脉 冲光束，其峰值功率大于310kW，而平均功率约为50mW至4W。其平均功率可以大于2. 5W。 聚焦装置可以是显微镜。准直光束可以用检流计扫描器进行扫描。根据本发明的再一个方面，提供一个用于聚焦光束的光学系统。该系统包括准直 仪、扫描器和控制器，其中，该准直仪用于调节光束的散度以产生准直光束；该扫描器用于 将准直光束导向聚焦装置，以将光束聚焦在焦点上并将聚焦光束扫描在连续扫描位点上； 而该控制器用于控制准直仪，基于当前的扫描位点对准直光束的散度进行调节，由此可在 所有连续扫描位点所在的焦平面上对焦点进行充分地扫描。下面将结合附图对本发明的具体实施例进行说明，在此基础上，本发明的其它方 面和特征对本领域的技术人员来说是显而易见的。


附图仅是通过实施例对本发明的具体实施方式
进行说明，其中图1是本发明的一个实施例所述的双光子立体光刻成型设备的示意图；图2是图1所示的物镜、目标物和支架的侧视5
图3是使用图1所示的设备进行双光子聚合反应所制得的第一个成品的顶视图的 扫描电镜(SEM)图像；图4是图3所示的成品在另一不同状态下的透视图的SEM图像图5是使用图1所示的设备进行双光子聚合反应所制得的第二个成品的顶视图的 SEM图像，该成品具有一排单元器件；而图6是图5所示成品上的一个单元器件的俯视图的SEM图像。
具体实施例方式在本发明的典型实施例中，多光子光固化成型采用干燥的物镜来代替油浸物镜。 使用干燥的物镜，能够容易地达到更高的产品生产量。由于不需要使用浸液，例如浸油，目 标材料受污染的风险就降低了。本发明设有一个器件，当聚焦光束在连续扫描位点上扫描 穿过目标材料时，用于保持聚焦光束的束腰与物镜之间的距离基本不变或完全不变。换言 之，聚焦光束的束腰(或焦点)充分扫描在所有连续扫描位点所在的平面(或焦平面)上。 由于通过该器件，焦平面变形得以减少或纠正，使用干燥物镜所形成的产品，其质量能够得 到提高。图1是本发明的一个典型实施例所述的多光子立体光刻成型系统10的示意图。该系统10包括一个用于发射光子束的光源，例如激光光源12。在本实施例中，激 光光源12是一个脉冲可调式近红外激光器，例如掺钛蓝宝石激光器。可以使用市售的激光 光源，例如光谱物理公司(Spectra Physics)生产的Mai Tai 宽带掺钛蓝宝石激光器。脉 冲频率可以是飞秒级的。其它适用的激光器可以用在其它实施例中。激光光源12用于产生激光光束14A。激光(光子)的波长选择为能够诱发特定的 目标材料发生多光子吸收，例如双光子吸收。例如，若特定材料的单光子吸收波长为L1，则 双光子吸收的波长可以是2Llt)为了作用于不同的材料，激光光源12可以在一个给定的范 围内调整波长。例如，为了利用双光子吸收来激活材料发生紫外光(UV)聚合反应，若所需 要的吸收能量子约为355nm，则光谱可能在710nm左右处有一个吸收峰。在本实施例中，激光的波长可以在约700nm至1020nm的范围内调整。激光光源12 的输出光束直径小于2mm，聚焦光斑直径为Ι/e2。光束的完整远场发散角约小于1毫弧度 (Mrad)。在脉冲模式中，激光光源12的平均输出功率大于2. 5W，且峰值功率大于310kW。在 不同的实施例中，激光的平均输出功率可以约为50mW至4W。功率更高的激光器可以与干燥 的物镜一起使用，并且可以获得令人满意的效果，因为它能提供更高的扫描速度和生产量。 在本实施例中，脉冲重复频率可以约为80兆赫兹(MHz)，脉冲宽度可以约为100飞秒(fs)。在另一个实施例中，从激光光源12发射的光束14A的光束宽度约小于1. 2mm且聚 焦光斑直径为Ι/e2。在一些实施例中，更小的光束直径更有利，因为它能提供更高的分辨 率。在光束14A的路径上邻近激光光源12的位置设有一个隔离器16，用于将激光光 源12与反射的激光隔离开来。即，设置隔离器16是为了防止反射的激光再次进入激光光 源12，因为反射光会干扰激光器的锁模运作。在本实施例中，隔离器16是一个宽带隔离器。 例如，可以使用光学研究公司(Optics For Research ,0FR)生产的10-5-NIR-HP 隔离器。 其它适用的激光隔离器可以用在其它实施例中。
隔离器16的下游设有一个遮光器18，用于选择性地透射通过它的光束14A。在本 实施例中，遮光器18是一个声光调节器(AOM)，可提供快速遮蔽操作。例如，可以使用AA光 电公司(Opto-Electronic )生产的AA MOD 110遮光器。在其它实施例中，遮光器18可以放置在别处，例如更下游的位置，并且可以选用 任何其它适用的高速遮光器，以适应特定的应用。例如，遮光器的遮蔽频率可以高达约 IOOMHz。遮光器18的下游设有一个光束扩展器20，配置用于扩展光束14A，并产生一束宽 增大了的准直光束14B(图2所示的光束14A和14B以及14C共同标为光束14)。如本实施 例中的应用，准直光束是指具有低散度的光束。例如，在一些实施例中，准直光束14B的散 度可以约小于7.6mrad。诚然，完美的准直光束(散度为0)在实际操作中是很难甚至是不 可能获得的。此外，准直光束14B的散度在使用过程中是变化的，并且可能偏离最初设定的 可完成光路的最低散度。可以设置一个分光镜22，以将光束14A反射到光束扩展器20中。光束扩展器20包括一个扩展透镜21，用于将光束直径扩大至足够大的尺寸，使得 光束的直径大于聚焦装置(如显微镜28)的输入孔径(图中未单独示出)，由此物镜30 (见 下文)的背部被完全照射，从而使物镜孔径得到充分利用。扩展透镜21是一个散光透镜， 也称作负透镜、凹透镜或散射透镜。对于扩展透镜21，透镜表面可以是平凹型、双凹型或凹 凸型的。光束扩展器20还包括一个扩展器物镜23，其设置在扩展透镜21的下游。扩展器 物镜23是一个聚光透镜，也称作正透镜，或凸透镜。聚光透镜的透镜表面可以是平凸型、双 凸型或弯月型的。穿过光束扩展器20后，光束14的尺寸可得到增大。光束扩展器20是电控的，用以扩展和校准光束14。光束扩展器20将光束直径增 大至一个期望的尺寸，并设置为对光束14B的散度(准直性)进行自动调节，以纠正主要由 视场曲率效应引起的焦平面变形，下文将对此作进一步解释。在本实施例中，扩展透镜21由一个电动转移器(图中未单独示出)进行轴向移动 /调节，以改变或调节扩展透镜21与扩展器物镜23之间的距离。该距离调节是自动运作 的。同样地，光束扩展器20也作为一个快速聚焦模块，用于对任何焦平面变形进行自动纠 正，当使用无法纠正焦平面变形的大型透镜元件时，即可发挥作用。扩展透镜21与扩展器 物镜23之间的物理距离可以在一个平衡距离上(如90mm)增大或减少，以改变光束尺寸/ 直径，或者减少焦平面变形。例如，透镜21和23的其中之一可以是可移位的。活动透镜的 运动可以由一个电动机驱动。在一个不同的实施例中，该距离调节也可以通过改变两个透 镜之间的光学距离而不改变它们之间的物理距离来实现。在一个实施例中，准直光束14B的直径可能约为10mm，而透镜21和23之间的距离 (也就是光束14B的散度)可以调节，由此，在显微镜28的输入孔径处，光束14B的直径可 以在IOmm上下变动几毫米。在系统10中，光束扩展器20包括一个由施肯拉公司(Scanlab AG )生产 的varioSCAN20 。这一装置可以使用该公司生产的RTC 控制板和控制软件进行控 制。VarioSCAN 20 的结构和操作详情可以从Scanlab公司获得，例如从它的网站爛. scanlab. de/中获得。在其它实施例中，可以用其它适用的光束扩展器和动态聚焦装置来替代 varioSCAN 20 。光束扩展器20的下游设有一个镜子24，用于将扩展了的准直光束14B导向扫描器 26。扫描器26使光束14B转向，以将光束14B扫描在要求的目标区域上。扫描器26 可以使用一个检流计扫描器。例如，该扫描器可以是Scanlab公司生产的ScanCube 7 扫 描器。在典型的检流计扫描器中，会设有两个扫描镜(图中未单独示出)，各由一个检流计 驱动。每个扫描镜都是独立调节(转动)的，以将光束导向一个维度。因此，两个扫描镜结 合，能够将光束扫描穿过一个二维的平面。扫描器26的下游放置有聚焦装置，例如一个显微镜28。除了本文中特别描述的 特征以外，显微镜28在其它方面上是一个常规的显微镜，并且能够使用常规的技术进行构 造。显微镜28被设置用于将光束14B聚焦在目标材料的聚焦区域中的焦平面上。显微镜28具有一个干燥物镜30。干燥物镜不需要为了正常运行而浸入油或水 中。干燥物镜只要浸在空气或其它气体环境中就能正常运行。在本实施例中，使用一个尼 康(Nikon )的ELWD空气物镜。在其它实施例中，可以使用其它类型的干燥物镜。合适的 尼康ELWD空气物镜包括放大系数为20 X至100X的物镜，例如20 X、50 X和100X。这 些物镜的数值孔径(NA)分别为0.4、0.55和0.8。这些物镜的三维分辨率分别是1 X 1 X 7、 0. 5 X 0. 5 X 1和0. 1 X 0. 1 X 1 (均为微米级)。干燥物镜30的NA值可以在约0. 4至0. 9的 范围内变动。物镜30将光束14B聚焦在目标物32中的焦点(聚焦区域)上。目标物32由支 架34支承，该支架34包括一个调节器件，例如一个高分辨率的镜台或一个检流计。支架34可以在三维方向上对目标物32的位置进行移动和调整。支架34可以是 电动化地移动目标物。支架34至少可以沿着光束14的轴向方向移动目标物32。可选地， 支架34可以被设置为同样在横向方向上移动目标物32。在一些实施例中，支架可以被设置 成为目标物32提供平移和旋转运动。可以设置一个照相机36，例如CXD(电荷耦合装置)照相机，对被处理的目标物拍 摄图像以及对设备10的运行进行监控。照相机36可以安放在接收来自分光镜22的光束 的位置上。可以设置一个控制器38，用于对设备10的运行进行控制。控制器38与光束扩展 器20通信，以控制扩展透镜21与扩展器物镜23之间的距离自动调节，从而减少显微镜28 的焦平面的变形(弯曲)。控制器38还可以与激光光源12、遮光器18、扫描器26、支架34 和照相机36中的一个或多个通信，以接收它们输入的信息，并可以随机地对它们的运行进 行控制。所述距离调节的控制可以基于，至少部分地基于当前光束束腰的位置，或者基于决 定射束轴方向的扫描器中的扫描镜的位置或角度。对于每个给定的光束方向，可以在存储 器中储存一个长度值，该长度值与光束方向或者束腰位置的期望坐标相关联。当光束朝向 一个位置扫描时，透镜21和23之间的距离被设置为与该位置相关联的长度一致。在这点 上，控制器38可以同时与光束扩展器20和扫描器26通信，从而使光束扩展器20中的电动 透镜与扫描器26中的扫描镜同步运动。控制器38可以包括一个电子控制电路。例如，它可以包括一个计算机或者其它计 算装置，还可以包括一个用于控制设备10运行的程序模块。该程序模块可以包括一个改进的SCAPS程序。该程序可以使支架镜台的运动和光束扫描同步进行，并可以通过滑动扫描 完成滑动。控制器38可以是一个完整的装置，也可以是若干个独立的部件。在本实施例中，系统10的扫描速度高达30mm/s，扫描高度高达30mm。在其它实施 例中，其扫描速度和扫描高度可以更高，这取决于所使用的元件。图2更详细地图示了物镜30和目标物32。在本实施例中，目标物32包括一个夹 在顶板42与底板(基座)44之间的目标材料40。顶板42和底板44由间隙粒子46分隔开。目标材料40是将要进行双光子光刻处理的材料。例如，目标材料可以是混合有光 引发剂的丙烯酸单体，由此，单体的交联反应能够受光子激发而激活。例如，合适的目标材料可以包含下列市售材料的选择性组合-乙氧基化双酚A二甲基丙烯酸酯(SR-348，Sartomer )；-乙氧基化双酚A二丙烯酸酯(SR-349，Sartomer)；-乙氧基化1，1，1-三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(SR-9035，Sartomer)；-紫外光引发剂，如Ph-CO-C(CH3)20H(DAR-1173 )；-自由基光引发剂，如2，2_二甲氧基-2-苯基苯乙酮(Irgacure 651，Ciba Geigy ，下文简称IRG)；-脂肪族聚氨酯丙烯酸酯(EB_270，UCBChemicals )；-含硅表面活性剂(DC190，DowCorning )；-聚氨酯丙烯酸酯(NR-2720，ZenecaResins )。专利号为6，025，114的美国专利所公开的光固化组合物也可以用作目标材料。在本发明的一些实施例中，含有表I和表II所列混合物的组合物可以用作目标材 料，表中给出的这些成分的浓度为重量百分比(wt%)。如图2所示，在聚焦光束14C的焦点处，光束14C的光束半径/直径或宽度为最小 值(也称作光束的光斑尺寸)。光束14C的这一部分也称作其束腰。在本发明的一个实施 例中，当光束14B在显微镜28处的入射角被扫描器26改变时，聚焦光束14C的焦点或束腰 同样会在与物镜30的光轴50相垂直的焦平面48内或其附近移动，这是因为透镜21与23 之间的动态距离调节实现了焦平面变形的自动纠正。若焦平面变形没有得到适当的纠正，当光束14的方向扫描偏离光轴50时，聚焦光 束14C的束腰会从焦平面48上离开或偏移，这是由视场曲率效应或者其它原因引起的，如 透镜瑕疵和光学元件的对准偏差等。束腰(焦点)从焦平面48的偏移即称为焦平面变形。 通常，光束方向与光轴50偏离得越远，束腰从焦平面48的偏移量越大。因此，在本发明的一个实施例中，透镜21和23之间的距离是动态调节的，以抵消 视场曲率效应以及其它的效应，并使束腰充分保持在焦平面48内，也就是至少充分接近于 焦平面48，这将在下文作进一步描述。表I用于双光子光刻的混合物
9 表II用于双光子光刻的混合物 使用时，系统10可以按照下述方法进行操作。由激光光源12产生一个激光光束14。该光束具有足够高的峰值功率和平均功率， 例如分别大于310kW和2. 5W。光束14不具有会引起目标材料40发生单光子光化学反应的 波长，但包括一个适于触发或诱发目标材料40发生双光子光化反应的波长。因此，光束14 的光谱可以是一个以期望波长为中心的窄带，或者具有一个单一的波长。根据目标材料和 需要进行光引发的反应，该中心波长可以在约700nm至1020nm的范围内。光束14A穿过隔离器16并随后穿过遮光器18。隔离器16防止任何反射光进入激 光光源12，因此能够延长激光光源12的寿命。遮光器18由控制器38控制，以选择性地阻 止光束14通过之。在一些应用中，遮光器的最大遮蔽频率可以在IlOMHz以下。光束14A可以通过分光镜22导向光束扩展器20。光束扩展器20产生一个扩展和 准直的光束14B。光束14B的束宽大于光束14A的束宽，例如，约为4至10倍。可以对光 束14B的束宽进行选择，以权衡众多的系数和因素。例如，更大的光束扩展对减少光束扩展 器20中电动透镜的移动距离会更有利。但另一方面，更大的光束扩展会导致更大的功率损 耗，例如当束宽大于显微镜28中输入孔径的直径时。光束14依次穿过扩展透镜21和聚焦 透镜23。扩展了的光束14B通过镜子24导向扫描器26。扫描器26通过显微镜28和物镜30将光束14B重新导向并扫描在目标物32上。 光束14B通过物镜30聚焦在目标材料40中聚焦区域的一个限定体积上，目标材料40由顶 板42和底板44以及支架34固定。使用时，干燥物镜30不浸入任何液体中，而是暴露于空 气(或其它气体)中。物镜30将扩展的准直光束14B聚焦在目标材料40的聚焦区域中。当使用较大的 光学元件时，聚焦光束14C的束腰会明显地偏离物镜30的焦平面48。换言之，焦平面偏离 轴向的变形会十分明显，由此会大大影响所形成的产品的形状。理想地，光束14应当聚焦 在焦平面48上，而不管其路径是否接近或远离物镜30的光轴50。实际上，当光束14扫描 时，束腰保持充分接近于平面48(例如完全在该平面上)是可以接受的。因此，为了改进产品的质量，需要减少或消除焦平面变形。若不进行纠正，则聚焦 区域必须足够小并且物镜的分辨率必须足够高，以保证产品的质量。若对焦平面变形进行 自动的实时减少或纠正，如本文所述，则分辨率相对较低的物镜，例如干燥的物镜，可以用 于多光子立体光刻成型。在本发明的一个典型实施例中，通过光束扩展器20中的扩展透镜21与聚焦透镜 23之间的动态距离调节，可减少或纠正潜在的焦平面变形。这一距离调节由控制器38自动 控制。光束扩展器20所产生的准直光束14B的散度取决于透镜21与23之间的距离。因 此，可以通过调节该距离来改变准直光束14B的散度。准直光束14B的散度继而会影响焦 点的焦距，或者束腰偏离物镜30的轴向距离。因此，通过调节透镜21与23之间的距离，可 以改变焦距以抵消视场曲率效应以及会引起焦平面变形的任何其它效应，由此，当聚焦光
11束14C扫描在连续扫描位点上时，聚焦光束14C的束腰(或焦点)会充分保持在焦平面48 上。通常，当光束14扫描在一个束腰远离物镜30的光轴50的扫描位点上时，需要适当地 增大焦距以抵消视场曲率效应并使束腰充分保持在焦平面48上。该焦距可以通过增大入 射光束，即准直光束14B的散度而增大。对于一个给定的位点，散度的增加量以及因此所要求的透镜21与23之间距离的 长度，可以在特定光路的光学理论基础上通过计算进行初步评估。计算得到的长度可以通 过校准作进一步的微调或校验。例如，可以通过对利用带有SEM成像技术的系统10所制得 的成品进行目视检测来实现校准。在光束扫描过程中对所述距离进行恰当的调节时，所制 得的成品的形状应当与输入图像十分相似。若所制得成品的形状在远离光轴50的区域中 发生变形，则该距离值需要作进一步的修正。对于不同的扫描位点所选择的长度值可以储 存起来，例如储存在控制器38的存储器(图中未单独示出)中，与各自的扫描位点相关联， 以供以后的修复和使用。该存储器可以与控制器38分离，但与之存在通信，由此控制器38 可以在运行过程中访问所储存的距离值。无论在哪种情况下，控制器38都能够基于所储存 的距离值和当前的扫描位点，对该距离调节进行控制，使之与扫描器26的运动同步进行。例如，距离值及其相关联的扫描位点可以储存在一个表格中。该距离值可以采用 绝对长度值或者是与起始距离的差值来表示。例如，起始距离可以是产生最佳准直光束的 距离。扫描位点可以采用不同的方式进行限定或表示。例如，在一些实施例中，扫描位点可 以由扫描镜的位置来限定。在其它实施例中，扫描位点可以由光束14B的方向，例如相对于 显微镜28或物镜30的光轴的方向来限定。扫描位点还可以由光轴与焦平面48的截距的 二维坐标来限定。例如，若光轴50的方向被定义为ζ轴，则可以使用截距的x_y坐标来限 定光束14的扫描位点。在一个实施例中，为了使目标材料形成一个三维(3D)结构，该结构的3D图像会被 分解为面、线和点要素。为了形成该结构的一个切面，首先将目标材料固定，根据输入的切 面图像利用扫面器26扫描光束14，并对透镜21与23之间的距离进行同步调节，以在扫描 期间将束腰维持在与期望得到的切面相重叠的平面上。目标材料随后被重新定位，以形成 该结构的下一个切面。这一过程可以持续进行，直至形成完整的3D结构。在一个实施例中，光束14的波长可以约为740nm。干燥物镜30的放大系数可以为 20，而显微镜28的视场可以为400μπιΧ400μπι。束腰在焦点处的光斑尺寸可以约为2 μ m 或更小值。焦深可以约为lOym。目标材料40可以是为特殊应用所选定的任何适用的材料，如本文所述。支架34由控制器38或者其它控制器(图中未示出)控制，以适当调整目标物32 的位置。这些位置的调整是在用户输入的或者根据预设程序自动设置的程序，以及控制器 38接收到的动态输入的基础上进行的。这一过程可以用照相机36进行实时监控。照相机36所采集的图像可以传送到控 制器38进行处理或分析，并且可以作为用于控制该系统中的其它部件的输入信息。光束扫描穿过目标物32的速度可以高达30mm/s。扫描高度(沿着光束的轴向方向)可以高达30mm。使用不同的物镜，系统10的扫描分辨率可以变动，并且可以高达 0. 1X0. 1X0. 1(微米级)，即放大100倍。
当具有足够的功率(光束强度)以及合适的波长或光谱的光束14聚焦在目标材 料40的聚焦区域上时，将以一个足够高的速率进行高频率的双光子吸收，以及产生光化学 反应，如光引发聚合反应。例如，在一个典型的双光子聚合过程中，具有高峰值功率的近红外(OTR)光聚焦 在一个光敏聚合物上。该光敏聚合物包括光引发剂，当单个UV光子被吸收并且所吸收的光 子能量激发一个电子时，光引发剂可以形成一个自由基以引发光化反应。所形成的自由基 将使单体和低聚体的丙烯基中不饱和碳键的双键断裂，继而产生新的自由基。当两个链自 由基相遇并相互反应时，这一链反应即终止。同样的引发剂可以同时吸收两个相干的NIR 光子并形成自由基，因为两个光子的复合光子能量同样能够激发电子以引发同样的光化学 反应。双光子吸收的概率可以通过下述方程式进行估算，
S2PleiNA2、2Tla OC^f (^"J)2方程式(1)
Tpfp 2ηολ其中，na是目标材料40中的某个荧光团在单激光脉冲期间同时吸收双光子的概 率；Pave是激光光束14在这段反应时间内的平均功率；δ2是目标材料40中的荧光团分子
的分子截面面积；τ ρ是各个激光脉冲的持续时间；fp是激光的重复频率巧=$ (h是普朗
克常数)；λ是激发波长(或者单光子吸收波长)；c是光速；而NA是物镜30的数值孔径。如上述方程式所决定的，双光子吸收引发光化学反应的结果是，在一个限定的区 域内，即束腰周围的聚焦区域内，可以发生充分的光化学反应，从而引起聚焦区域内发生结 构改变，但聚焦区域外不会发生结构改变，因为聚焦区域外发生双光子吸收的概率太低，无 法引起明显的结构改变。发生双光子吸收的聚焦区域是轴向限定的。也就是说，聚焦区域 仅仅沿着物镜轴线的一小部分延伸。实际上，发生双光子吸收/激发的概率会降低，如同物 镜焦点距离的第四功率，因为激光强度本身与轴向距离成二次方相关。通常，发生双光子吸 收的聚焦区域的体积可以小于10_12Cm3。相反，在物镜轴线的大部分上，发生单光子吸收的 概率会保持得更稳定，因为它仅仅是激光强度的一个函数，而该激光强度与轴向距离成线 性相关。作为双光子吸收/激发引发光化学反应的结果，在目标材料40的聚焦区域内会发 生期望的结构改变。结构改变可以包括化学结构改变、物理结构改变或者两者的结合。该 结构改变可以是肉眼可见或不可见的。因为双光子吸收的发生仅仅在聚焦区域内具有较高 的概率，在聚集区域外不会发生明显的结构改变。通过控制光束14B相对于目标材料40的 入射方向，并因此控制目标材料40中的聚焦区域，可以形成一个3D结构。这一过程可以由 控制器38控制。目标材料40内的聚焦区域的轴向运动，是沿着物镜30的光轴50的轴向方向，对 支架34进行轴向移动而实现的。目标材料40内的聚焦区域的横向运动，是利用扫描器26 使光束14B转向，从而将光束扫描在连续扫描位点上而实现的。其它的横向运动可以通过 支架34在与物镜30的光轴50相交的平面上的平移或旋转运动来实现。在不同的实施例 中，这些运动可以采用不同的方式实现。例如，轴向运动可以通过改变光束的焦平面来实 现，例如对一个或多个光学聚焦元件(如显微镜28)进行调整或移动。诚然，系统10能够便利地提供一些益处。由于不需要使用浸液，如浸油来浸泡物镜，聚焦元件和目标材料受污染的几率就降低或者最小化了。由于焦平面变形得到动态纠 正，可以使用较大的光学元件，因此可以利用系统10来构建体积更大的装置。与传统的装 置相比，系统10的操作更灵活和更简易。与物镜浸在油或水中的传统双光子光刻技术相 比，系统10中的扫描速度和扫描高度相对较高。在这些传统技术中，扫描高度会受油滴的 大小和物镜的焦斑直径限制，通常约小于1mm。在传统技术中，要求使用油浸物镜，而在系统 10中，对物镜30的要求不如其严格。因此，在系统10中使用的物镜有更多的选择。当使 用AOM作为遮光器时，遮蔽频率会更高。光束扩展器20可以提供自动的切面平面度控制， 在双光子光刻应用中，无需使用油浸物镜就能获得相对较高的放大倍率和分辨率。此外，系统10可以设置激光变焦功能、装置接合功能以及装置排列。这些功能可 以使之通过在横向方向上移动支撑台，生产更大的目标装置。与基于油浸或水浸物镜的双光子技术相比，系统10能够提供相对较高的产品生产量。在仍然保留本文所述的一项或多项益处的前提下，可以对系统10进行改进。例 如，在不同的实施例中以及对于不同的应用，激光光束的特性可以有所不同；一些部件或装 置可以设置在可选的位置上并仍然满足同样的功能目的。例如，在不同的实施例中，照相机 36可以放置在别处并且可以接收来自光束14的光路上另一个位点的反射光。隔离器16可 以与激光光源12结合在一起。遮光器18也可以与另一个光学元件结合在一起，例如激光 光源12或光束扩展器20，或者放置在光束扩展器20的下游。光束扩展器20可以设置为一 个整体的装置或者由多个组件装配起来的装置。其它合适的光束扩展装置，例如ScanlabAG 公司生产的其它合适的装置也可以用作光束扩展器20。利用若干个镜子，并将镜子或者其 它偏转或反射元件放置在光路的不同位置上，可以对光束14的不同光路进行选择。在不同 的实施例中，显微镜的物镜可以面向不同的方向。由于物镜不浸入液体中，例如油中，物镜 的光轴可以在垂直方向、水平方向或者其它方向上进行充分校直。在另一个实施例中，系统10可以采用不同于上述过程的方式进行操作。在另一个实施例中，可以对系统10进行改进以作多光子应用，其中目标材料中的 光化学反应是由三个或多个光子的同时吸收触发的。可行的改变包括选择一个合适的激光 光源，其中三个或多个光子所携带的能量总和适合于激发目标材料中的一个电子。激光光源12也可以采用另一种类型的光源替代，只要该光源能够提供一束具有 合适特性的光子束即可。在不同的实施例中，系统10中的任何光学元件，例如一个透镜，都可以采用不同 的方式实现。例如，各个透镜都可以采用单透镜、复合透镜或者一组一体或组合的透镜，以 提供期望的功能。具有导向、聚焦或者改变光束特性或传播方向作用的附加光学元件，可以设置在 光路上或者沿着光路设置，以实现某个给定的应用所期望的功能。附加的光学元件可以放 置在光路上任何合适的位点上，并且可以与图1中已示出的元件相结合。例如，可以设置附 加的光学元件或特征，以改进本系统的性能，包括减少或纠正像差，所述的像差可能是球面
像差、慧形像差或色差等。应当理解的是，在实际应用中，当涉及到平面，例如焦平面时，束腰在某些位点上 偏离焦平面的轻微位移是不可避免的，也是可允许的。例如，如果不会造成成品出现无法接受的结构缺陷，该轻微位移是可以容忍的。可以理解的是，实际上，当束腰充分接近于焦平 面时，由多光子吸收诱导的聚合反应所形成的结构，与束腰严格移至焦平面上时所形成的 结构，实质上是相同的，或者甚至是毫无差别的，这归因于特殊光路的焦深。因此，应当理解 的是，距离值的选择不必是为了将束腰的移动限制在一个几何平面内。此外，因为有很多实 际的局限性，不可能选择到能够使束腰始终严格保持在一个几何平面内的距离值。所以应 当理解的是，当选择一个距离值来抵消某个给定位点上的视场曲率效应，从而将光束聚焦 在焦平面内的一个位点上时，所选择的距离值足以使束腰聚焦在偏离理想焦平面的可容忍 的距离内。所以，对于本发明的目的，应当理解的是，当束腰的位置大体在一个平面内时或 者充分接近于一个平面时，束腰的位置都被认为是落在一个平面内，因此，它们偏离该平面 的位移对成品并没有实质的影响。本发明的一个实施例，例如系统10，在很多不同的领域中可以有不同的应用。例 如，系统10可以用于构建3D纳米级装置(> IOOnm)，也可以用在半导体产业(例如作为 直写光刻机器，用于生产相位掩膜、在IC(集成电路)上直接构建光学元件、构建传感器)； 光电技术(例如用于加工光子晶体和其它光学结构，以及用于量子电子学中)；无线通讯产 业(例如用于构建共鸣器、波导管、全光学微型收发器装置)；构建3D纳米级微机电系统 (MEMS)和纳机电系统(NEMS)装置；快速成型工业(例如用在快速成型系统和装置中)；组 织工程(例如用于构建组织支架，用于器官再生)；以及化学与制药工业(例如为手性化合 物的合成构建底物)等。利用如上所述的试验系统，通过双光子光刻构建样品。图3、4、5和6显示了其中 两个加工制品的图像。为了生产这些样品，激光光源产生一束波长约为710nm，平均激光功 率约为IW的激光。扫描速度为lOmm/s。可以理解的是，本发明的实施例可以应用于更广的光学技术领域中。例如，在一个 用于聚焦光束的光学系统中，可以设置一个准直仪来调节光束的散度，以产生准直光束。可 以设置一个扫描器，以将准直光束导向聚焦装置，从而将光束聚焦在焦点上并将该焦点扫 描在焦平面上。可以设置一个控制器来控制准直仪，从而根据焦点在焦平面上的位置对准 直光束的散度进行调节。散度的调节使得准直光束扫描时，焦点始终完全保持在焦平面上。 这种系统在多光子立体光刻成型以外的其它应用中也是十分有用的。应当理解的是，本领域的技术人员能够在本说明书和附图的基础上，获知本文未 提及的上述实施例的其它特征、益处和优点。当然，上述实施例仅仅用于对本发明进行详细说明，而非用于限制本发明。所述的 实施例允许在形状、部件排布以及操作细节和顺序上，进行多种更改。也就是说，本发明旨 在包括在其范围内的所有类似更改，如权利要求所定义的。
1权利要求
一种多光子立体光刻成型系统，包括光源，用于产生具有可诱发目标材料发生多光子吸收的波长的光束；光束扩展器，包括一个散光透镜和一个聚光透镜，位于所述光束的路径上，用于通过所述透镜扩展所述光束，以产生一束准直光束，所述准直光束的散度取决于所述散光透镜与所述聚光透镜之间的距离；聚焦装置，包括一个干燥的物镜，位于所述准直光束的路径上，用于将所述准直光束聚焦在目标材料上，以诱发所述目标材料在聚焦光束的束腰处发生多光子吸收；扫描器，设置在所述准直光束的路径上，位于所述光束扩展器与所述聚焦装置之间，用于将所述准直光束转向所述聚焦装置，以将所述束腰在连续扫描位点上扫描穿过所述目标材料；以及控制器，基于当前的扫描位点，对所述散光透镜与所述聚光透镜之间的距离调节进行控制，由此所述束腰充分扫描在所有连续扫描位点所在的平面上。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于每个连续扫描位点都与一个单独的预设 长度相关联，所述控制器将所述散光透镜与所述聚光透镜之间的距离调节为与当前扫描位 点相关联的预设长度。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述控制器与所述光束扩展器和所 述扫描器进行通信，从而使所述距离的调节与所述准直光束的扫描同步进行。
4.根据权利要求1至3的其中之一所述的系统，其特征在于所述的多光子吸收为双 光子吸收。
5.根据权利要求1至4的其中之一所述的系统，其特征在于所述光源发射一束脉冲 光束，其峰值功率大于310kW，平均功率在50mW至4W之间。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述平均功率大于2.5W。
7.根据权利要求1至6的其中之一所述的系统，还包括用于支承所述目标材料的支架， 所述支架是可调节的，用于将所述目标材料运送向所述物镜并将所述目标材料安置在邻近 该物镜的位置上，由此，所述目标材料与所述的平面相交。
8.根据权利要求1至7的其中之一所述的系统，还包括隔离器，位于邻近所述光源的位 置上，用于将所述光源与反射光隔离开来。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括遮光器，位于所述隔离器的下游，用于选择性地 透射所述光束。
10.根据权利要求1至9的其中之一所述的系统，其特征在于所述光源是一个激光光 源，其波长范围在700m至1020nm之间。
11.根据权利要求1至10的其中之一所述的系统，其特征在于所述干燥物镜的数值 孔径约为0.4至0.9。
12.根据权利要求1至11的其中之一所述的系统，其特征在于所述聚焦装置为显微境 O
13.根据权利要求1至12的其中之一所述的系统，其特征在于所述扫描器为检流计扫描器。
14.根据权利要求1至13的其中之一所述的系统，其特征在于所述控制器包括一个 控制电路。
15.根据权利要求1至14的其中之一所述的系统，其特征在于所述的平面垂直于所 述干燥物镜的光轴。
16.一种多光子立体光刻成型方法，包括产生一束具有可诱发目标材料发生多光子吸收的波长的光束； 通过一个由散光透镜和聚光透镜组成的光束扩展器扩展所述光束，以产生一束准直光 束，所述准直光束的散度取决于所述散光透镜与所述聚光透镜之间的距离；通过一个包含干燥物镜的聚焦装置将所述准直光束聚焦在所述目标材料上，以诱发所 述的目标材料在聚焦光束的束腰处发生多光子吸收；将所述准直光束转向所述聚焦装置，从而将所述聚焦光束在连续扫描位点上扫描穿过 所述目标材料；以及基于当前的扫描位点对所述散光透镜与所述聚光透镜之间的距离进行调节，由此所述 束腰充分扫描在所有连续扫描位点所在的平面上。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于每一个连续扫描位点都与一个单独的 预设长度相关联，所述的距离调节包括将所述距离调节至与当前扫描位点相关联的预设长度。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于所述转向和所述调节同步进行。
19.根据权利要求16至18的其中之一所述的方法，其特征在于光束的产生包括用激 光光源产生光束，所述的激光光源与反射的激光相隔离。
20.根据权利要求16至19的其中之一所述的方法，还包括相对于所述物镜移动所述目 标材料，从而相对于所述物镜对所述目标材料进行重新定位。
21.根据权利要求16至20的其中之一所述的方法，其特征在于所述的多光子吸收为 双光子吸收。
22.根据权利要求16至21的其中之一所述的方法，其特征在于所述光束的波长范围 在700nm至1020nm之间。
23.根据权利要求16至22的其中之一所述的方法，其特征在于所述干燥物镜的数值 孔径在0.4至0.9之间。
24.根据权利要求16至23的其中之一所述的方法，其特征在于所述光束为脉冲光 束，其峰值功率大于310kW，平均功率在50mW至4W之间。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于所述平均功率大于2.5W。
26.根据权利要求16至25的其中之一所述的方法，其特征在于所述聚焦装置为显微镜。
27.根据权利要求16至26的其中之一所述的方法，其特征在于所述的转向包括使用 检流计扫描器对所述准直光束进行扫描。
28.一种用于聚焦光束的光学系统，包括准直仪，用于调节所述光束的散度，以产生准直光束；扫描器，用于将所述准直光束导向聚焦装置，从而将所述光束聚焦在焦点上并且将聚 焦光束扫描在连续扫描位点上；以及控制器，用于控制所述准直仪，从而基于当前的扫描位点对所述准直光束的散度进行 调节，由此所述焦点充分扫描在所有连续扫描位点所在的焦平面上。
全文摘要
本发明公开了一种可用于多光子立体光刻成型的光束聚焦系统。该系统包括一个用于调节光束散度的准直仪或光束扩展器，以及一个用于将光束导向聚焦装置从而将光束聚焦在焦点或束腰上并对聚焦光束进行扫描的扫描器。设有一个控制器来控制光束散度的调节，从而使焦点或束腰充分扫描在一个平面上。设有一个光源来产生光束。光束扩展器可以由一个散光透镜和一个聚光透镜组成，用于扩展光束以产生准直光束。准直光束的散度取决于所述散光透镜与所述聚光透镜之间的距离，该距离可以进行调节从而对光束散度进行调节。聚焦装置可以包括一个干燥的物镜，从而将准直光束聚焦在目标材料上以诱发目标材料在聚焦光束的束腰处发生多光子吸收。
文档编号G02B27/30GK101896852SQ200880108066
公开日2010年11月24日 申请日期2008年7月21日 优先权日2007年7月20日
发明者应仪如, 简锡恒, 谢曾明 申请人:新加坡科技研究局