在先進(jìn)材料、微型化器件和集成微系統(tǒng)需求日益增長的今天，能夠可靠制造復(fù)雜、多尺度、三維架構(gòu)的技術(shù)變得至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的3D激光納米制造技術(shù)因常規(guī)成像光學(xué)元件的視場限制，在通向大規(guī)?；牡缆飞厦媾R著吞吐量、鄰近誤差和拼接缺陷的根本性挑戰(zhàn)。

近期，Songyun Gu，Chenkai Mao等人發(fā)表于《自然》雜志題目為《3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination》取得了突破性研究進(jìn)展，展示了一種可擴(kuò)展的3D納米制造技術(shù)。該技術(shù)利用濱松的LCOS-SLM加超透鏡陣列相結(jié)合并行的進(jìn)行了大范圍、高精度的3D雙光子光刻，將寫入場區(qū)域擴(kuò)展到厘米級，特征尺寸低至113nm。

濱松LCOS-SLM(型號 X15213-02R)在此系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用主要有兩點(diǎn)，第一個(gè)主要功能是通過光路的設(shè)計(jì)加算法實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制功能，其設(shè)計(jì)光路如下圖所示，屬于相位-振幅型調(diào)制光路，垂直偏振的飛秒激光經(jīng)過擴(kuò)束和PBS后，通過一個(gè)1/4波片變成圓偏振光直接打到SLM上，基于瓊斯矩陣算法(具體算法公式請參考原文)實(shí)現(xiàn)對光的控制，SLM加載相位調(diào)制完，再通過兩個(gè)1/4波片形成水平偏振和強(qiáng)度調(diào)制的光，然后通過4f系統(tǒng)打在超透鏡陣列上。SLM通過算法的切換，實(shí)現(xiàn)像素級的激光的開關(guān)功能。另外該光路在4f系統(tǒng)的第一個(gè)透鏡的聚焦位置，放置了一個(gè)真空腔，其目的是為了防止超短脈沖激光在空氣中產(chǎn)生電離。

第二主要功能是進(jìn)行陣列聚焦光斑的均勻性校正。雙光子光刻是一種高度敏感的非線性過程。由于顯微鏡系統(tǒng)與超透鏡的數(shù)值孔徑不匹配，強(qiáng)度測量的精度不足以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的并行雙光子光刻。為解決此問題，在上一步獲得的相位圖基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過微調(diào)空間光調(diào)制器相位值，打印一系列方塊圖案。打印完成后，統(tǒng)計(jì)成功打印的方塊數(shù)量，并將其作為直接依據(jù)來確定能確保各聚焦光斑強(qiáng)度均勻的精確空間光調(diào)制器相位值，如附圖3所示。

圖1 LCOS-SLM調(diào)制光路及原理

圖2 LCOS-SLM與超透鏡結(jié)合飛秒雙光子刻寫原理圖

圖3 通過LCOS-SLM調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)灰度打印

隨著更大規(guī)模的超透鏡陣列、更先進(jìn)的SLM技術(shù)以及更強(qiáng)大的飛秒激光器的商用化，這種并行化概念有望將吞吐量提升至每秒百億個(gè)體素以上。濱松LCOS-SLM作為實(shí)現(xiàn)光路可編程、過程自適應(yīng)的核心部件，必將在推動3D納米光刻走向晶圓級生產(chǎn)、賦能微電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的變革性應(yīng)用中，持續(xù)發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作用。

濱松純振幅調(diào)制系統(tǒng)

濱松工程師團(tuán)隊(duì)其強(qiáng)大的算法與光路設(shè)計(jì)能力，設(shè)計(jì)了一套基于LCOS-SLM純振幅調(diào)制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)主要是分為光束擴(kuò)束、光振幅調(diào)節(jié)、樣品臺、相機(jī)觀測、軟件控制五個(gè)部分。

圖4 濱松振幅型調(diào)制系統(tǒng)

審核編輯 黃宇