专利名称：飞秒倍频激光直写系统及微加工方法
技术领域：
本发明涉及激光微加工，特别是涉及用于微光学元件和微电子光刻金属模板的微加工的飞秒倍频激光直写系统及进行微加工的方法。
背景技术：
微电子技术的飞速发展，光电子产品集成度的不断提高，需要光电子器件的特征尺寸进一步缩小。为了满足和适应微电子、光电子、集成光学及光电混合集成等技术的发展，元件微加工技术必须得到进一步的发展和提高，才能够得到更高精度、更高质量的微精细元件，加工出尺寸越来越小的单元部件。然而随着图形线宽的不断缩小，元件微加工系统的分辨能力越来越受到邻近效应的影响。
激光直写是一种新兴的制作微光学元件的加工方法，于20世纪80年代中期被提出。所谓激光直写就是由计算机控制高精度聚焦激光束，按照设计图形在光刻胶上扫描曝光，通过显影后形成所需的光刻胶图样，与刻蚀技术结合就可以在光学元件的表面上加工出各种复杂的表面浮雕图案。激光直写技术因其一次成形，器件的衍射效率和制作精度比传统半导体工艺套刻制作的器件均有较大提高。与传统制版技术相比，激光直写系统具有性能稳定、结构简单、加工精度高、成本较低等优点，因而格外引人注目。
激光直写得到的元件的横向分辨率及最小特征尺寸由聚焦后的激光光斑尺寸决定。如果忽略定位误差，那么高斯激光束所能被聚焦的最小光斑确定了分辨率，它由以下公式确定
式中D0是在1/e2最大强度处的光斑直径；NA是成像物镜的数值孔径；D是在1/e最大强度处的光斑直径；λ是直写激光工作波长。
目前激光直写技术已用于制作菲涅耳透镜、相息全息元件等各种连续表面轮廓的器件，较为常见且发展较为成熟的是采用氦-镉气体激光器作为直写光源。要想提高元件的横向分辨率、得到更小的部件特征尺寸，根据(1)式的分析就必须缩短激光工作波长，因而后来出现了氯化氙(308nm)、氟化氪(248nm)、氟化氩(193nm)、氟气(157nm)激光光源等短波长光源，并得到了深入的研究。
在先技术[1]中激光直写系统所采用的He-Cd激光光源(参见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))波长输出为442nm，利用50×的物镜得到直径(D)约为1.5μm的会聚焦点。该技术的缺点在于光源波长较长，根据(1)式，可知所得元件的分辨率低、特征尺寸较大，当加工线条的特征尺寸小于1μm时，出现明显的邻近畸变。
随着激光器功率的提高，激光烧蚀直写技术也得到了进一步的发展。在先技术[2]中使用KrF准分子激光器(λ＝248nm)，用全息再现的方法在聚酰亚胺膜层上烧蚀得到深度约40nm、线宽＜100nm的光栅(参见Harvey M.Phillips，Roland A.Sauerbrey，“Excimer-laser-produced nanostructures inpolymers，”Opt.Eng.32，2424-2436(1993))。由于工作波长较短，据(1)式可知能够得到较小的光斑直径，从而得到更小的元件特征尺寸，但该技术的缺点在于光源相干性差且价格昂贵，加工对光源功率也有较高要求，须达到被加工物质的烧蚀阈值。后来出现的氟化氩(193nm)、氟气(157nm)激光光源等，也具有上述同样的缺点。
自20世纪90年代，飞秒激光器开始应用到加工领域。由于飞秒激光的高脉冲功率密度，在激光微细加工中具有独特的优越性。钛蓝宝石飞秒激光器研制成功后，各国学者在飞秒激光烧蚀，即利用其非常高的脉冲功率密度与物质相互作用达到烧蚀目的这一领域进行了大量的研究工作。在先技术[3]中利用钛蓝宝石飞秒激光(波长800nm)的倍频光(400nm)进行激光烧蚀得到了特征尺寸为0.6μm的掩模(参见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))。在该技术中，以金—铬金属层作为吸收层，高功率的飞秒激光对其直接进行烧蚀加工得到掩模。飞秒激光烧蚀同样要求能量密度达到一定值时，才会有烧蚀现象出现；且因加工边界不清楚，内部不均匀等缺点而不适合于二元光学元件的加工。
光刻胶是微电子行业中最重要的牺牲层材料之一。光刻胶通过曝光、显影形成精细的图案，在基底上生成或刻蚀新的材料图形后，光刻胶再被洗去，即可得到所要的光学元件。可以这么说，整个微电子工艺技术都是建立在光刻胶工艺技术的基础之上的，而微光学工艺技术也是建立在光刻胶的工艺技术之上。只有和光刻胶工艺技术相兼容，才可能在微电子行业和微光学加工领域中起到重要的作用并得到广泛应用。
飞秒激光在微细加工方面表现出巨大的潜力，引起人们的广泛关注。以往人们开展这方面的工作普遍采用结合放大技术的钛宝石飞秒激光系统，具有高功率激光输出，利用飞秒激光具有高功率密度的优点对材料进行烧蚀来达到材料加工的目的。据我们所知，目前还没有人试图把低功率飞秒激光通过倍频技术对光刻胶曝光实现微细加工。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种低功率飞秒倍频激光直写系统及进行微加工的方法，该系统不仅结构简易、成本低、性能稳定，而且光刻的边缘清晰、分辨率高。
本发明的技术解决方案如下一种飞秒倍频激光直写系统，包括激光器、反射镜、聚焦透镜、高精度二维移动平台和计算机，其特征在于所述的激光器是钛宝石锁模激光器，在激光器和反射镜之间的光路上还设有聚焦透镜、BBO倍频晶体、聚焦透镜、滤光片，该滤光片仅让倍频光沿光路输出照射在高精度二维移动平台的待加工样品表面涂敷的光刻胶。
所述钛宝石锁模激光器输出的并经BBO倍频晶体后的激光是飞秒倍频激光，波长为400nm。
利用所述的飞秒倍频激光直写系统加工微光学元件的方法，其特征在于包括下列步骤①.在玻璃或石英或其他透明材料的基底上涂布一层光刻胶，，即待加工样品并置于高精度二维移动平台上；②.在计算机的控制下，移动高精度二维移动平台，使飞秒倍频激光对待加工样品进行直写；
③.显影后形成光刻胶图案；④.在待加工样品的基底上蒸镀一层图案或刻蚀出相应的图案；⑤.洗去光刻胶就可获得微光学表面加工的元器件。
利用所述的飞秒倍频激光直写系统加工金属铬掩模板的方法，其特征在于包括下列步骤①.在基底上的金属铬层的表面涂布一层光刻胶，放在高精度二维移动平台上；②.在计算机的控制下，移动高精度二维移动平台，并控制飞秒倍频激光器的发光对待加工样品进行直写；③.显影后形成光刻胶图案；④.通过腐蚀所暴露出来的金属铬，然后洗去光刻胶，即可制造出金属铬模板。
一种飞秒倍频激光直写系统。由钛宝石飞秒激光器、显微物镜、BBO倍频晶体、滤光片以及计算机控制的二维移动平台等组成。由钛宝石飞秒激光器产生的低功率(150mW左右)飞秒激光(800nm左右)经BBO晶体产生的倍频光(400nm左右)正好在光刻胶的感光范围内，因此就可以通过二维移动平台的移动在光刻胶的涂层上产生所需的曝光图案(经过显影、定影后)，然后通过微电子工艺的刻蚀工艺，就可以加工出任意形状的微光学元件和金属掩模板。该直写系统将飞秒激光倍频技术和微电子工艺技术相结合，提出了一种加工微电子掩模板和微光学元件的新方法。
利用飞秒激光倍频技术加工微电子模板和微光学元件的最基本的原因在于充分利用光刻胶的感光范围。广泛用于微电子及微光学工艺的光刻胶，其感光范围一般在紫外区域，对红光(例如800nm的红光)是不敏感的。钛宝石飞秒激光倍频后的激光(400nm)正好在光刻胶的感光范围之内，因此飞秒倍频激光可以用来加工微电子模板和微光学元件，这正是本发明飞秒倍频激光直写系统的核心创新点之所在。本系统无需采用复杂昂贵的激光放大装置而直接采用钛宝石激光振荡器输出的低功率飞秒激光就可以实现，因而可以大大降低加工成本。
另外利用飞秒激光进行加工，与物质的热扩散速度相比，能更快的在激光照射部位注入能量，激光辐照区淀积的能量难以通过热扩散的途径逸出辐照区域，照射的能量没有在照射区域外损失，激光与物质相互作用的范围被严格限定，从而得到有效利用，在保证更小的图形线宽前提下得到比使用普通激光更高质量的加工边缘。该系统充分利用了飞秒激光能有效地克服光刻中近域热效应的影响的优点，可以加工出较小尺度的光刻图案；同时采用光刻胶的光刻工艺，可以实现锐利清晰的光刻图案的边界，便于加工高精度的微电子器件和微光学器件。
与在先技术相比，该发明的优点在于(1)飞秒倍频激光(400nm)正好在光刻胶的感光范围，因而该技术可以在微电子和微光学的加工工艺技术中得到广泛应用；(2)发挥飞秒激光微加工的各种优势，有效克服光学曝光过程中的邻近效应，大大降低最小图像尺寸，提高加工边缘质量；(3)所用工作波长较短，有利于得到高分辨率的加工元件；(4)由于所用光源系统不需放大，大大降低了系统成本，此外系统性能稳定，适合于加工微电子模板和微光学元件。
图1是该发明的装置图。其中1是钛宝石锁模激光器，；2、4、7分别是显微物镜L1、L2、L3；3是与激光器波长等相关参数相匹配的BBO晶体；5是将倍频光与基频光分开的滤光片；6是反射镜；8是表面涂有光刻胶的待加工样品；9是高精度二维移动平台；10是用来操纵9的电脑。
图2(a)是飞秒倍频激光直写制作微光学元件示意图。其中7是会聚透镜；8a是光刻胶；8是基底(玻璃或石英)。(b)是飞秒倍频激光直写制作金属铬掩模板示意图。其中7是会聚透镜；8b是金属铬。
图3是利用飞秒倍频激光直写系统加工微光学元件及金属铬掩模板的加工简易流程图。
图4是利用飞秒激光倍频技术加工得到的金属铬掩模板的光学显微镜图片。
图5是在玻璃基底上表面刻蚀加工得到二台阶位相光栅，表面刻蚀形貌由Taylor-Hobson台阶仪测量的结果。其表面刻蚀深度为0.7μm，刻蚀宽度为15μm，光栅周期为124μm。
具体实施例方式本发明飞秒倍频激光直写装置，装置示意图如图1所示。其中钛宝石飞秒激光器中心波长在800nm左右，输出功率在150mW左右，脉冲宽度为20fs～50fs，重复频率为80MHz；显微物镜L12、L24、L37的放大倍数/数值孔径分别是10×/0.25、4×/0.1、40×/0.65；匹配角θ＝29.60的BBO晶体5，大小为5×5×0.4mm3；使用计算机编程控制的MM-3M-F-1.5-GR256型移动平台9，其移动精度0.1微米。
图2是利用本发明的飞秒倍频激光直写系统加工微光学元件和微电子金属铬掩模板示意图。图2(a)为利用飞秒倍频激光直接加工微光学元件玻璃或石英等透明材料的基底涂布上一层光刻胶，经过飞秒倍频激光直写并显影后就形成了光刻胶的图案；在光学基底上就可以蒸镀一层图案或刻蚀出相应的图案；洗去光刻胶就得到微光学表面加工的元器件。图2(b)利用飞秒倍频激光加工金属铬的模板。我们知道，在微电子和微光学的大量复制技术中，金属铬的模板是目前最常用的金属模板之一，金属铬的上面通常用光刻胶作为光刻掩膜的牺牲层。飞秒倍频激光使光刻胶曝光后，就可以通过腐蚀暴露出来的金属铬制造出金属铬模板。利用铬掩模就可以实现微电子和微光学元件的低成本批量生产。
图3给出了该工艺流程简易图。利用该飞秒倍频激光直写系统，选择适当的功率输出及二维移动平台的移动速度，以控制光刻胶的准确曝光量；得到的直写图案经过显影、定影后得到光刻图案；对光刻图案进行刻蚀后将光刻胶洗去就可以得到微光学元件。如果加工金属铬掩模板，则在得到光刻图案后需要先腐蚀暴露出的金属铬，然后将光刻胶洗去，即可得到金属铬掩模板。
在激光光源输出功率为110mW时，我们成功地利用该直写系统加工出多种光学元件及掩模板图形，利用图2(a)所示的方法和图3的工艺流程，我们成功地加工出各种掩模板，图4所示为开口为85μm周期为248μm的铬掩模板，从图中可以看出该模板的加工边界锐利清晰，利用该掩模板作为母版就可以利用微电子和微光学元件低成本批量生产的复制技术大量地生产周期为248μm的位相光栅；利用图2(b)所示的方法和图3的工艺流程，我们加工出多种光学元件。在玻璃基底得到开口为15μm周期为124μm的二相光栅，其表面刻蚀形貌由Taylor-Hobson台阶仪测量，结果如图5所示。为了更清楚的观察光栅的边缘质量，图中仅给出光栅图样的一部分，可以看出加工得到较高的光栅边缘质量。
此外通过相应的计算机程序来控制二维移动平台的移动，我们可以得到几乎任意形状的光刻图样。这些实验结果充分证明利用该飞秒激光倍频直写系统确实可以直接加工出高质量的微光学元件及金属铬掩模板。本发明将飞秒激光通过倍频技术运用到微电子工艺和微光学加工工艺中，装置简单、成本低，与光刻工艺完全匹配，是飞秒激光的一个重要应用方向，具有重要的应用前景和实用价值。
权利要求
1.一种飞秒倍频激光直写系统，包括激光器(1)、反射镜(6)、聚焦透镜(7)、高精度二维移动平台(9)和计算机(10)，其特征在于所述的激光器(1)是钛宝石锁模激光器，在激光器(1)和反射镜(6)之间的光路上还设有聚焦透镜(2)、BBO倍频晶体(3)、聚焦透镜(4)、滤光片(5)，该滤光片(5)仅让倍频光沿光路输出照射在高精度二维移动平台(9)的待加工样品(8)表面涂敷的光刻胶。
2.根据权利要求1所述的飞秒倍频激光直写系统，其特征在于所述钛宝石锁模激光器(1)输出的并经BBO倍频晶体(3)后的激光是飞秒倍频激光，波长为400nm。
3.利用权利要求1所述的飞秒倍频激光直写系统加工微光学元件的方法，其特征在于包括下列步骤①.在玻璃或石英或其他透明材料的基底上涂布一层光刻胶，，即待加工样品并置于高精度二维移动平台(9)上；②.在计算机(10)的控制下，移动高精度二维移动平台(9)，使飞秒倍频激光对待加工样品(8)进行直写；③.显影后形成光刻胶图案；④.在待加工样品(8)的基底上蒸镀一层图案或刻蚀出相应的图案；⑤.洗去光刻胶就可获得微光学表面加工的元器件。
4.利用权利要求1所述的飞秒倍频激光直写系统加工金属铬掩模板的方法，其特征在于包括下列步骤①.在基底(8)上的金属铬(8b)层的表面涂布一层光刻胶(8a)，放在高精度二维移动平台(9)上；②.在计算机(10)的控制下，移动高精度二维移动平台(9)，并控制飞秒倍频激光器的发光对待加工样品(8)进行直写；③.显影后形成光刻胶图案；④.通过腐蚀所暴露出来的金属铬，然后洗去光刻胶，即可制造出金属铬模板。
全文摘要
一种飞秒倍频激光直写系统及微加工方法，该直写系统包括激光器、反射镜、聚焦透镜、高精度二维移动平台和计算机，其特征在于所述的激光器是钛宝石锁模激光器，在激光器和反射镜之间的光路上还设有聚焦透镜、BBO倍频晶体、聚焦透镜、滤光片，该滤光片仅让倍频光沿光路输出照射在高精度二维移动平台的待加工样品表面涂敷的光刻胶。本发明的特点是利用激光器发出的低功率飞秒倍频激光进行直写，与光刻方法相结合进行微加工，该系统不仅结构简易、成本低、性能稳定，而且光刻的边缘清晰、分辨率高。
文档编号B23K26/36GK1493429SQ0315051
公开日2004年5月5日 申请日期2003年8月22日 优先权日2003年8月22日
发明者周常河, 孙晓慧 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所