專(zhuān)利名稱(chēng)：減少焦平面變形的光束聚焦裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及減少焦平面變形的光束聚焦方法和系統(tǒng)，特別適合應(yīng)用于多光子立體 光刻成型。
背景技術(shù)：
多光子立體光刻成型，如雙光子立體光刻成型，是一門(mén)新興的、有前景的技術(shù)，具 有許多潛在的應(yīng)用，例如應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，用于光子學(xué)器件，應(yīng)用于無(wú)線通訊產(chǎn)業(yè)中， 用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)或納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)，應(yīng)用于快速成型工業(yè)中，應(yīng)用于組織工程 中，以及應(yīng)用于化學(xué)與制藥工業(yè)中。多光子立體光刻成型(如雙光子聚合反應(yīng))是利用局 部多光子吸收/激發(fā)來(lái)引起目標(biāo)物的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。當(dāng)多個(gè)光子在一個(gè)較小的空間體積內(nèi)同時(shí) 出現(xiàn)，并且光子的總能量與激發(fā)目標(biāo)物中的電子所需的激發(fā)能相等時(shí)，可發(fā)生多光子吸收。 這些光子能夠同時(shí)被吸收，并伴隨電子的激發(fā)。被激發(fā)的電子隨后能夠引起目標(biāo)物中的化 學(xué)反應(yīng)(如聚合反應(yīng))。通過(guò)控制多光子吸收/激發(fā)在目標(biāo)物中發(fā)生的位置，例如通過(guò)將光 束聚焦在目標(biāo)物中選定的焦點(diǎn)上并按照預(yù)設(shè)的圖案移動(dòng)焦點(diǎn)，這樣在精確的控制下，例如 在亞微米分辨率下，能夠?qū)^小的三維目標(biāo)物進(jìn)行操作和構(gòu)造。目前已知的多光子立體光刻成型技術(shù)具有一些缺陷。例如，為了提高多光子吸收 效率，最后的物鏡通常會(huì)浸入油中，以獲得高分辨率和大數(shù)值的孔徑。然而，現(xiàn)有技術(shù)中帶 有油浸物鏡的產(chǎn)品生產(chǎn)量相對(duì)較低，這與很多因素有關(guān)，例如光學(xué)元件的有限尺寸，掃描速 度低(一報(bào)道的掃描速度約為16微米/秒)，以及有限的掃描體積(掃描高度通常少于 1mm)。目標(biāo)物和鏡頭都可能會(huì)被浸鏡油污染。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一個(gè)多光子立體光刻成型系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括光源、光 束擴(kuò)展器、聚焦裝置、掃描器和控制器。其中，該光源所產(chǎn)生的光束具有一可誘發(fā)目標(biāo)材料 發(fā)生多光子吸收的波長(zhǎng)；該光束擴(kuò)展器包括一個(gè)散光透鏡和一個(gè)聚光透鏡，位于光束路徑 上，用于擴(kuò)展通過(guò)透鏡的光束以產(chǎn)生準(zhǔn)直光束，準(zhǔn)直光束的散度取決于散光透鏡與聚光透 鏡之間的距離；該聚焦裝置包括一個(gè)干燥的物鏡，位于準(zhǔn)直光束的路徑上，用于將準(zhǔn)直光束 聚焦在目標(biāo)材料上以誘發(fā)目標(biāo)材料在聚焦光束的束腰處發(fā)生多光子吸收；該掃描器設(shè)置在 準(zhǔn)直光束路徑上，位于光束擴(kuò)展器與聚焦裝置之間，用于將準(zhǔn)直光束轉(zhuǎn)向聚焦裝置，以將光束束腰在連續(xù)掃描位點(diǎn)上掃描穿過(guò)目標(biāo)材料；而控制器是基于當(dāng)前的掃描位點(diǎn)，對(duì)散光透 鏡與聚光透鏡之間的距離調(diào)節(jié)進(jìn)行控制，由此光束束腰可充分掃描在所有連續(xù)掃描位點(diǎn)所 在的平面上。每個(gè)連續(xù)掃描位點(diǎn)都可以與一個(gè)單獨(dú)的預(yù)設(shè)長(zhǎng)度相關(guān)聯(lián)，控制器可以將散光 透鏡與聚光透鏡之間的距離調(diào)節(jié)為與當(dāng)前掃描位點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的預(yù)設(shè)長(zhǎng)度?？刂破骺梢耘c光 束擴(kuò)展器和掃描器進(jìn)行通信，從而使距離的調(diào)節(jié)與準(zhǔn)直光束的掃描同步進(jìn)行。所述的多光 子吸收可以是雙光子吸收。該光源可以發(fā)射脈沖光束，其峰值功率大于310kW，而平均功率 約為50mW至4W。其平均功率可以大于2. 5W。該系統(tǒng)可以包括一個(gè)支架，用于支承目標(biāo)材 料。該支架可以是可調(diào)節(jié)的，可將目標(biāo)材料運(yùn)送向物鏡并將目標(biāo)材料安置在鄰近物鏡的位 置上，由此，目標(biāo)材料與所述的平面相交。該系統(tǒng)可以包括一個(gè)隔離器，位于鄰近光源的位 置上，以將光源與反射光隔離開(kāi)來(lái)。該系統(tǒng)包括一個(gè)遮光器，位于隔離器的下游，用于選擇 性地透射光束。該光源可以是激光光源，其波長(zhǎng)范圍約為700nm至1020nm。該干燥物鏡的 數(shù)值孔徑可以約為0.4至0.9。該聚焦裝置可以是顯微鏡。該掃描器可以是檢流計(jì)掃描器。 所述的平面可以垂直于干燥物鏡的光軸。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種多光子立體光刻成型方法，該方法包括產(chǎn)生 一束具有可誘發(fā)目標(biāo)材料發(fā)生多光子吸收的波長(zhǎng)的光束；通過(guò)一個(gè)由散光透鏡和聚光透鏡 組成的光束擴(kuò)展器擴(kuò)展光束，以產(chǎn)生一束準(zhǔn)直光束，該準(zhǔn)直光束的散度取決于散光透鏡與 聚光透鏡之間的距離；通過(guò)一個(gè)包含干燥物鏡的聚焦裝置將準(zhǔn)直光束聚焦在目標(biāo)材料上， 以誘發(fā)目標(biāo)材料在聚焦光束的束腰處發(fā)生多光子吸收；將準(zhǔn)直光束轉(zhuǎn)向聚焦裝置，以將聚 焦光束在連續(xù)掃描位點(diǎn)上掃描穿過(guò)目標(biāo)材料；基于當(dāng)前的掃描位點(diǎn)對(duì)散光透鏡與聚光透鏡 之間的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，由此光束束腰可在所有連續(xù)掃描位點(diǎn)所在的平面上進(jìn)行充分掃描。 每一個(gè)連續(xù)掃描位點(diǎn)都可以分別與一個(gè)預(yù)設(shè)長(zhǎng)度相關(guān)聯(lián)，而散光透鏡與聚光透鏡之間的距 離可以根據(jù)與當(dāng)前掃描位點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的預(yù)設(shè)長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整。光束的轉(zhuǎn)向與距離的調(diào)節(jié)可以同步 進(jìn)行。光束可以由激光光源產(chǎn)生，并與反射的激光相隔離。目標(biāo)材料可以相對(duì)于物鏡移動(dòng)， 從而相對(duì)于物鏡對(duì)目標(biāo)材料進(jìn)行重新定位。所述的多光子吸收可以是雙光子吸收。光波的 波長(zhǎng)范圍約為700nm至1020nm。干燥物鏡的數(shù)值孔徑可以約為0. 4至0. 9。光束可以是脈 沖光束，其峰值功率大于310kW，而平均功率約為50mW至4W。其平均功率可以大于2. 5W。 聚焦裝置可以是顯微鏡。準(zhǔn)直光束可以用檢流計(jì)掃描器進(jìn)行掃描。根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供一個(gè)用于聚焦光束的光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括準(zhǔn)直 儀、掃描器和控制器，其中，該準(zhǔn)直儀用于調(diào)節(jié)光束的散度以產(chǎn)生準(zhǔn)直光束；該掃描器用于 將準(zhǔn)直光束導(dǎo)向聚焦裝置，以將光束聚焦在焦點(diǎn)上并將聚焦光束掃描在連續(xù)掃描位點(diǎn)上； 而該控制器用于控制準(zhǔn)直儀，基于當(dāng)前的掃描位點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)直光束的散度進(jìn)行調(diào)節(jié)，由此可在 所有連續(xù)掃描位點(diǎn)所在的焦平面上對(duì)焦點(diǎn)進(jìn)行充分地掃描。下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明的其它方 面和特征對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。


附圖僅是通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說(shuō)明，其中圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所述的雙光子立體光刻成型設(shè)備的示意圖；圖2是圖1所示的物鏡、目標(biāo)物和支架的側(cè)視5
圖3是使用圖1所示的設(shè)備進(jìn)行雙光子聚合反應(yīng)所制得的第一個(gè)成品的頂視圖的 掃描電鏡(SEM)圖像；圖4是圖3所示的成品在另一不同狀態(tài)下的透視圖的SEM圖像圖5是使用圖1所示的設(shè)備進(jìn)行雙光子聚合反應(yīng)所制得的第二個(gè)成品的頂視圖的 SEM圖像，該成品具有一排單元器件；而圖6是圖5所示成品上的一個(gè)單元器件的俯視圖的SEM圖像。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，多光子光固化成型采用干燥的物鏡來(lái)代替油浸物鏡。 使用干燥的物鏡，能夠容易地達(dá)到更高的產(chǎn)品生產(chǎn)量。由于不需要使用浸液，例如浸油，目 標(biāo)材料受污染的風(fēng)險(xiǎn)就降低了。本發(fā)明設(shè)有一個(gè)器件，當(dāng)聚焦光束在連續(xù)掃描位點(diǎn)上掃描 穿過(guò)目標(biāo)材料時(shí)，用于保持聚焦光束的束腰與物鏡之間的距離基本不變或完全不變。換言 之，聚焦光束的束腰(或焦點(diǎn))充分掃描在所有連續(xù)掃描位點(diǎn)所在的平面(或焦平面)上。 由于通過(guò)該器件，焦平面變形得以減少或糾正，使用干燥物鏡所形成的產(chǎn)品，其質(zhì)量能夠得 到提高。圖1是本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例所述的多光子立體光刻成型系統(tǒng)10的示意圖。該系統(tǒng)10包括一個(gè)用于發(fā)射光子束的光源，例如激光光源12。在本實(shí)施例中，激 光光源12是一個(gè)脈沖可調(diào)式近紅外激光器，例如摻鈦藍(lán)寶石激光器?？梢允褂檬惺鄣募す?光源，例如光譜物理公司(Spectra Physics)生產(chǎn)的Mai Tai 寬帶摻鈦藍(lán)寶石激光器。脈 沖頻率可以是飛秒級(jí)的。其它適用的激光器可以用在其它實(shí)施例中。激光光源12用于產(chǎn)生激光光束14A。激光(光子)的波長(zhǎng)選擇為能夠誘發(fā)特定的 目標(biāo)材料發(fā)生多光子吸收，例如雙光子吸收。例如，若特定材料的單光子吸收波長(zhǎng)為L(zhǎng)1，則 雙光子吸收的波長(zhǎng)可以是2Llt)為了作用于不同的材料，激光光源12可以在一個(gè)給定的范 圍內(nèi)調(diào)整波長(zhǎng)。例如，為了利用雙光子吸收來(lái)激活材料發(fā)生紫外光(UV)聚合反應(yīng)，若所需 要的吸收能量子約為355nm，則光譜可能在710nm左右處有一個(gè)吸收峰。在本實(shí)施例中，激光的波長(zhǎng)可以在約700nm至1020nm的范圍內(nèi)調(diào)整。激光光源12 的輸出光束直徑小于2mm，聚焦光斑直徑為Ι/e2。光束的完整遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角約小于1毫弧度 (Mrad)。在脈沖模式中，激光光源12的平均輸出功率大于2. 5W，且峰值功率大于310kW。在 不同的實(shí)施例中，激光的平均輸出功率可以約為50mW至4W。功率更高的激光器可以與干燥 的物鏡一起使用，并且可以獲得令人滿意的效果，因?yàn)樗芴峁└叩膾呙杷俣群蜕a(chǎn)量。 在本實(shí)施例中，脈沖重復(fù)頻率可以約為80兆赫茲(MHz)，脈沖寬度可以約為100飛秒(fs)。在另一個(gè)實(shí)施例中，從激光光源12發(fā)射的光束14A的光束寬度約小于1. 2mm且聚 焦光斑直徑為Ι/e2。在一些實(shí)施例中，更小的光束直徑更有利，因?yàn)樗芴峁└叩姆直?率。在光束14A的路徑上鄰近激光光源12的位置設(shè)有一個(gè)隔離器16，用于將激光光 源12與反射的激光隔離開(kāi)來(lái)。即，設(shè)置隔離器16是為了防止反射的激光再次進(jìn)入激光光 源12，因?yàn)榉瓷涔鈺?huì)干擾激光器的鎖模運(yùn)作。在本實(shí)施例中，隔離器16是一個(gè)寬帶隔離器。 例如，可以使用光學(xué)研究公司(Optics For Research ,0FR)生產(chǎn)的10-5-NIR-HP 隔離器。 其它適用的激光隔離器可以用在其它實(shí)施例中。
隔離器16的下游設(shè)有一個(gè)遮光器18，用于選擇性地透射通過(guò)它的光束14A。在本 實(shí)施例中，遮光器18是一個(gè)聲光調(diào)節(jié)器(AOM)，可提供快速遮蔽操作。例如，可以使用AA光 電公司(Opto-Electronic )生產(chǎn)的AA MOD 110遮光器。在其它實(shí)施例中，遮光器18可以放置在別處，例如更下游的位置，并且可以選用 任何其它適用的高速遮光器，以適應(yīng)特定的應(yīng)用。例如，遮光器的遮蔽頻率可以高達(dá)約 IOOMHz。遮光器18的下游設(shè)有一個(gè)光束擴(kuò)展器20，配置用于擴(kuò)展光束14A，并產(chǎn)生一束寬 增大了的準(zhǔn)直光束14B(圖2所示的光束14A和14B以及14C共同標(biāo)為光束14)。如本實(shí)施 例中的應(yīng)用，準(zhǔn)直光束是指具有低散度的光束。例如，在一些實(shí)施例中，準(zhǔn)直光束14B的散 度可以約小于7.6mrad。誠(chéng)然，完美的準(zhǔn)直光束(散度為0)在實(shí)際操作中是很難甚至是不 可能獲得的。此外，準(zhǔn)直光束14B的散度在使用過(guò)程中是變化的，并且可能偏離最初設(shè)定的 可完成光路的最低散度?？梢栽O(shè)置一個(gè)分光鏡22，以將光束14A反射到光束擴(kuò)展器20中。光束擴(kuò)展器20包括一個(gè)擴(kuò)展透鏡21，用于將光束直徑擴(kuò)大至足夠大的尺寸，使得 光束的直徑大于聚焦裝置(如顯微鏡28)的輸入孔徑(圖中未單獨(dú)示出)，由此物鏡30 (見(jiàn) 下文)的背部被完全照射，從而使物鏡孔徑得到充分利用。擴(kuò)展透鏡21是一個(gè)散光透鏡， 也稱(chēng)作負(fù)透鏡、凹透鏡或散射透鏡。對(duì)于擴(kuò)展透鏡21，透鏡表面可以是平凹型、雙凹型或凹 凸型的。光束擴(kuò)展器20還包括一個(gè)擴(kuò)展器物鏡23，其設(shè)置在擴(kuò)展透鏡21的下游。擴(kuò)展器 物鏡23是一個(gè)聚光透鏡，也稱(chēng)作正透鏡，或凸透鏡。聚光透鏡的透鏡表面可以是平凸型、雙 凸型或彎月型的。穿過(guò)光束擴(kuò)展器20后，光束14的尺寸可得到增大。光束擴(kuò)展器20是電控的，用以擴(kuò)展和校準(zhǔn)光束14。光束擴(kuò)展器20將光束直徑增 大至一個(gè)期望的尺寸，并設(shè)置為對(duì)光束14B的散度(準(zhǔn)直性)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以糾正主要由 視場(chǎng)曲率效應(yīng)引起的焦平面變形，下文將對(duì)此作進(jìn)一步解釋。在本實(shí)施例中，擴(kuò)展透鏡21由一個(gè)電動(dòng)轉(zhuǎn)移器(圖中未單獨(dú)示出)進(jìn)行軸向移動(dòng) /調(diào)節(jié)，以改變或調(diào)節(jié)擴(kuò)展透鏡21與擴(kuò)展器物鏡23之間的距離。該距離調(diào)節(jié)是自動(dòng)運(yùn)作 的。同樣地，光束擴(kuò)展器20也作為一個(gè)快速聚焦模塊，用于對(duì)任何焦平面變形進(jìn)行自動(dòng)糾 正，當(dāng)使用無(wú)法糾正焦平面變形的大型透鏡元件時(shí)，即可發(fā)揮作用。擴(kuò)展透鏡21與擴(kuò)展器 物鏡23之間的物理距離可以在一個(gè)平衡距離上(如90mm)增大或減少，以改變光束尺寸/ 直徑，或者減少焦平面變形。例如，透鏡21和23的其中之一可以是可移位的?；顒?dòng)透鏡的 運(yùn)動(dòng)可以由一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)不同的實(shí)施例中，該距離調(diào)節(jié)也可以通過(guò)改變兩個(gè)透 鏡之間的光學(xué)距離而不改變它們之間的物理距離來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，準(zhǔn)直光束14B的直徑可能約為10mm，而透鏡21和23之間的距離 (也就是光束14B的散度)可以調(diào)節(jié)，由此，在顯微鏡28的輸入孔徑處，光束14B的直徑可 以在IOmm上下變動(dòng)幾毫米。在系統(tǒng)10中，光束擴(kuò)展器20包括一個(gè)由施肯拉公司(Scanlab AG )生產(chǎn) 的varioSCAN20 。這一裝置可以使用該公司生產(chǎn)的RTC 控制板和控制軟件進(jìn)行控 制。VarioSCAN 20 的結(jié)構(gòu)和操作詳情可以從Scanlab公司獲得，例如從它的網(wǎng)站爛. scanlab. de/中獲得。在其它實(shí)施例中，可以用其它適用的光束擴(kuò)展器和動(dòng)態(tài)聚焦裝置來(lái)替代 varioSCAN 20 。光束擴(kuò)展器20的下游設(shè)有一個(gè)鏡子24，用于將擴(kuò)展了的準(zhǔn)直光束14B導(dǎo)向掃描器 26。掃描器26使光束14B轉(zhuǎn)向，以將光束14B掃描在要求的目標(biāo)區(qū)域上。掃描器26 可以使用一個(gè)檢流計(jì)掃描器。例如，該掃描器可以是Scanlab公司生產(chǎn)的ScanCube 7 掃 描器。在典型的檢流計(jì)掃描器中，會(huì)設(shè)有兩個(gè)掃描鏡(圖中未單獨(dú)示出)，各由一個(gè)檢流計(jì) 驅(qū)動(dòng)。每個(gè)掃描鏡都是獨(dú)立調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)動(dòng))的，以將光束導(dǎo)向一個(gè)維度。因此，兩個(gè)掃描鏡結(jié) 合，能夠?qū)⒐馐鴴呙璐┻^(guò)一個(gè)二維的平面。掃描器26的下游放置有聚焦裝置，例如一個(gè)顯微鏡28。除了本文中特別描述的 特征以外，顯微鏡28在其它方面上是一個(gè)常規(guī)的顯微鏡，并且能夠使用常規(guī)的技術(shù)進(jìn)行構(gòu) 造。顯微鏡28被設(shè)置用于將光束14B聚焦在目標(biāo)材料的聚焦區(qū)域中的焦平面上。顯微鏡28具有一個(gè)干燥物鏡30。干燥物鏡不需要為了正常運(yùn)行而浸入油或水 中。干燥物鏡只要浸在空氣或其它氣體環(huán)境中就能正常運(yùn)行。在本實(shí)施例中，使用一個(gè)尼 康(Nikon )的ELWD空氣物鏡。在其它實(shí)施例中，可以使用其它類(lèi)型的干燥物鏡。合適的 尼康ELWD空氣物鏡包括放大系數(shù)為20 X至100X的物鏡，例如20 X、50 X和100X。這 些物鏡的數(shù)值孔徑(NA)分別為0.4、0.55和0.8。這些物鏡的三維分辨率分別是1 X 1 X 7、 0. 5 X 0. 5 X 1和0. 1 X 0. 1 X 1 (均為微米級(jí))。干燥物鏡30的NA值可以在約0. 4至0. 9的 范圍內(nèi)變動(dòng)。物鏡30將光束14B聚焦在目標(biāo)物32中的焦點(diǎn)(聚焦區(qū)域)上。目標(biāo)物32由支 架34支承，該支架34包括一個(gè)調(diào)節(jié)器件，例如一個(gè)高分辨率的鏡臺(tái)或一個(gè)檢流計(jì)。支架34可以在三維方向上對(duì)目標(biāo)物32的位置進(jìn)行移動(dòng)和調(diào)整。支架34可以是 電動(dòng)化地移動(dòng)目標(biāo)物。支架34至少可以沿著光束14的軸向方向移動(dòng)目標(biāo)物32?？蛇x地， 支架34可以被設(shè)置為同樣在橫向方向上移動(dòng)目標(biāo)物32。在一些實(shí)施例中，支架可以被設(shè)置 成為目標(biāo)物32提供平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？梢栽O(shè)置一個(gè)照相機(jī)36，例如CXD(電荷耦合裝置)照相機(jī)，對(duì)被處理的目標(biāo)物拍 攝圖像以及對(duì)設(shè)備10的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。照相機(jī)36可以安放在接收來(lái)自分光鏡22的光束 的位置上?？梢栽O(shè)置一個(gè)控制器38，用于對(duì)設(shè)備10的運(yùn)行進(jìn)行控制。控制器38與光束擴(kuò)展 器20通信，以控制擴(kuò)展透鏡21與擴(kuò)展器物鏡23之間的距離自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而減少顯微鏡28 的焦平面的變形(彎曲)。控制器38還可以與激光光源12、遮光器18、掃描器26、支架34 和照相機(jī)36中的一個(gè)或多個(gè)通信，以接收它們輸入的信息，并可以隨機(jī)地對(duì)它們的運(yùn)行進(jìn) 行控制。所述距離調(diào)節(jié)的控制可以基于，至少部分地基于當(dāng)前光束束腰的位置，或者基于決 定射束軸方向的掃描器中的掃描鏡的位置或角度。對(duì)于每個(gè)給定的光束方向，可以在存儲(chǔ) 器中儲(chǔ)存一個(gè)長(zhǎng)度值，該長(zhǎng)度值與光束方向或者束腰位置的期望坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)。當(dāng)光束朝向 一個(gè)位置掃描時(shí)，透鏡21和23之間的距離被設(shè)置為與該位置相關(guān)聯(lián)的長(zhǎng)度一致。在這點(diǎn) 上，控制器38可以同時(shí)與光束擴(kuò)展器20和掃描器26通信，從而使光束擴(kuò)展器20中的電動(dòng) 透鏡與掃描器26中的掃描鏡同步運(yùn)動(dòng)。控制器38可以包括一個(gè)電子控制電路。例如，它可以包括一個(gè)計(jì)算機(jī)或者其它計(jì) 算裝置，還可以包括一個(gè)用于控制設(shè)備10運(yùn)行的程序模塊。該程序模塊可以包括一個(gè)改進(jìn)的SCAPS程序。該程序可以使支架鏡臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和光束掃描同步進(jìn)行，并可以通過(guò)滑動(dòng)掃描 完成滑動(dòng)?？刂破?8可以是一個(gè)完整的裝置，也可以是若干個(gè)獨(dú)立的部件。在本實(shí)施例中，系統(tǒng)10的掃描速度高達(dá)30mm/s，掃描高度高達(dá)30mm。在其它實(shí)施 例中，其掃描速度和掃描高度可以更高，這取決于所使用的元件。圖2更詳細(xì)地圖示了物鏡30和目標(biāo)物32。在本實(shí)施例中，目標(biāo)物32包括一個(gè)夾 在頂板42與底板(基座)44之間的目標(biāo)材料40。頂板42和底板44由間隙粒子46分隔開(kāi)。目標(biāo)材料40是將要進(jìn)行雙光子光刻處理的材料。例如，目標(biāo)材料可以是混合有光 引發(fā)劑的丙烯酸單體，由此，單體的交聯(lián)反應(yīng)能夠受光子激發(fā)而激活。例如，合適的目標(biāo)材料可以包含下列市售材料的選擇性組合-乙氧基化雙酚A二甲基丙烯酸酯(SR-348，Sartomer )；-乙氧基化雙酚A二丙烯酸酯(SR-349，Sartomer)；-乙氧基化1，1，1-三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(SR-9035，Sartomer)；-紫外光引發(fā)劑，如Ph-CO-C(CH3)20H(DAR-1173 )；-自由基光引發(fā)劑，如2，2_二甲氧基-2-苯基苯乙酮(Irgacure 651，Ciba Geigy ，下文簡(jiǎn)稱(chēng)IRG)；-脂肪族聚氨酯丙烯酸酯(EB_270，UCBChemicals )；-含硅表面活性劑(DC190，DowCorning )；-聚氨酯丙烯酸酯(NR-2720，ZenecaResins )。專(zhuān)利號(hào)為6，025，114的美國(guó)專(zhuān)利所公開(kāi)的光固化組合物也可以用作目標(biāo)材料。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，含有表I和表II所列混合物的組合物可以用作目標(biāo)材 料，表中給出的這些成分的濃度為重量百分比(wt%)。如圖2所示，在聚焦光束14C的焦點(diǎn)處，光束14C的光束半徑/直徑或?qū)挾葹樽钚?值(也稱(chēng)作光束的光斑尺寸)。光束14C的這一部分也稱(chēng)作其束腰。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施 例中，當(dāng)光束14B在顯微鏡28處的入射角被掃描器26改變時(shí)，聚焦光束14C的焦點(diǎn)或束腰 同樣會(huì)在與物鏡30的光軸50相垂直的焦平面48內(nèi)或其附近移動(dòng)，這是因?yàn)橥哥R21與23 之間的動(dòng)態(tài)距離調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了焦平面變形的自動(dòng)糾正。若焦平面變形沒(méi)有得到適當(dāng)?shù)募m正，當(dāng)光束14的方向掃描偏離光軸50時(shí)，聚焦光 束14C的束腰會(huì)從焦平面48上離開(kāi)或偏移，這是由視場(chǎng)曲率效應(yīng)或者其它原因引起的，如 透鏡瑕疵和光學(xué)元件的對(duì)準(zhǔn)偏差等。束腰(焦點(diǎn))從焦平面48的偏移即稱(chēng)為焦平面變形。 通常，光束方向與光軸50偏離得越遠(yuǎn)，束腰從焦平面48的偏移量越大。因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，透鏡21和23之間的距離是動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的，以抵消 視場(chǎng)曲率效應(yīng)以及其它的效應(yīng)，并使束腰充分保持在焦平面48內(nèi)，也就是至少充分接近于 焦平面48，這將在下文作進(jìn)一步描述。表I用于雙光子光刻的混合物
9 表II用于雙光子光刻的混合物 使用時(shí)，系統(tǒng)10可以按照下述方法進(jìn)行操作。由激光光源12產(chǎn)生一個(gè)激光光束14。該光束具有足夠高的峰值功率和平均功率， 例如分別大于310kW和2. 5W。光束14不具有會(huì)引起目標(biāo)材料40發(fā)生單光子光化學(xué)反應(yīng)的 波長(zhǎng)，但包括一個(gè)適于觸發(fā)或誘發(fā)目標(biāo)材料40發(fā)生雙光子光化反應(yīng)的波長(zhǎng)。因此，光束14 的光譜可以是一個(gè)以期望波長(zhǎng)為中心的窄帶，或者具有一個(gè)單一的波長(zhǎng)。根據(jù)目標(biāo)材料和 需要進(jìn)行光引發(fā)的反應(yīng)，該中心波長(zhǎng)可以在約700nm至1020nm的范圍內(nèi)。光束14A穿過(guò)隔離器16并隨后穿過(guò)遮光器18。隔離器16防止任何反射光進(jìn)入激 光光源12，因此能夠延長(zhǎng)激光光源12的壽命。遮光器18由控制器38控制，以選擇性地阻 止光束14通過(guò)之。在一些應(yīng)用中，遮光器的最大遮蔽頻率可以在IlOMHz以下。光束14A可以通過(guò)分光鏡22導(dǎo)向光束擴(kuò)展器20。光束擴(kuò)展器20產(chǎn)生一個(gè)擴(kuò)展和 準(zhǔn)直的光束14B。光束14B的束寬大于光束14A的束寬，例如，約為4至10倍?？梢詫?duì)光 束14B的束寬進(jìn)行選擇，以權(quán)衡眾多的系數(shù)和因素。例如，更大的光束擴(kuò)展對(duì)減少光束擴(kuò)展 器20中電動(dòng)透鏡的移動(dòng)距離會(huì)更有利。但另一方面，更大的光束擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致更大的功率損 耗，例如當(dāng)束寬大于顯微鏡28中輸入孔徑的直徑時(shí)。光束14依次穿過(guò)擴(kuò)展透鏡21和聚焦 透鏡23。擴(kuò)展了的光束14B通過(guò)鏡子24導(dǎo)向掃描器26。掃描器26通過(guò)顯微鏡28和物鏡30將光束14B重新導(dǎo)向并掃描在目標(biāo)物32上。 光束14B通過(guò)物鏡30聚焦在目標(biāo)材料40中聚焦區(qū)域的一個(gè)限定體積上，目標(biāo)材料40由頂 板42和底板44以及支架34固定。使用時(shí)，干燥物鏡30不浸入任何液體中，而是暴露于空 氣(或其它氣體)中。物鏡30將擴(kuò)展的準(zhǔn)直光束14B聚焦在目標(biāo)材料40的聚焦區(qū)域中。當(dāng)使用較大的 光學(xué)元件時(shí)，聚焦光束14C的束腰會(huì)明顯地偏離物鏡30的焦平面48。換言之，焦平面偏離 軸向的變形會(huì)十分明顯，由此會(huì)大大影響所形成的產(chǎn)品的形狀。理想地，光束14應(yīng)當(dāng)聚焦 在焦平面48上，而不管其路徑是否接近或遠(yuǎn)離物鏡30的光軸50。實(shí)際上，當(dāng)光束14掃描 時(shí)，束腰保持充分接近于平面48(例如完全在該平面上)是可以接受的。因此，為了改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量，需要減少或消除焦平面變形。若不進(jìn)行糾正，則聚焦 區(qū)域必須足夠小并且物鏡的分辨率必須足夠高，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。若對(duì)焦平面變形進(jìn)行 自動(dòng)的實(shí)時(shí)減少或糾正，如本文所述，則分辨率相對(duì)較低的物鏡，例如干燥的物鏡，可以用 于多光子立體光刻成型。在本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例中，通過(guò)光束擴(kuò)展器20中的擴(kuò)展透鏡21與聚焦透鏡 23之間的動(dòng)態(tài)距離調(diào)節(jié)，可減少或糾正潛在的焦平面變形。這一距離調(diào)節(jié)由控制器38自動(dòng) 控制。光束擴(kuò)展器20所產(chǎn)生的準(zhǔn)直光束14B的散度取決于透鏡21與23之間的距離。因 此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)該距離來(lái)改變準(zhǔn)直光束14B的散度。準(zhǔn)直光束14B的散度繼而會(huì)影響焦 點(diǎn)的焦距，或者束腰偏離物鏡30的軸向距離。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡21與23之間的距離，可 以改變焦距以抵消視場(chǎng)曲率效應(yīng)以及會(huì)引起焦平面變形的任何其它效應(yīng)，由此，當(dāng)聚焦光
11束14C掃描在連續(xù)掃描位點(diǎn)上時(shí)，聚焦光束14C的束腰(或焦點(diǎn))會(huì)充分保持在焦平面48 上。通常，當(dāng)光束14掃描在一個(gè)束腰遠(yuǎn)離物鏡30的光軸50的掃描位點(diǎn)上時(shí)，需要適當(dāng)?shù)?增大焦距以抵消視場(chǎng)曲率效應(yīng)并使束腰充分保持在焦平面48上。該焦距可以通過(guò)增大入 射光束，即準(zhǔn)直光束14B的散度而增大。對(duì)于一個(gè)給定的位點(diǎn)，散度的增加量以及因此所要求的透鏡21與23之間距離的 長(zhǎng)度，可以在特定光路的光學(xué)理論基礎(chǔ)上通過(guò)計(jì)算進(jìn)行初步評(píng)估。計(jì)算得到的長(zhǎng)度可以通 過(guò)校準(zhǔn)作進(jìn)一步的微調(diào)或校驗(yàn)。例如，可以通過(guò)對(duì)利用帶有SEM成像技術(shù)的系統(tǒng)10所制得 的成品進(jìn)行目視檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。在光束掃描過(guò)程中對(duì)所述距離進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)時(shí)，所制 得的成品的形狀應(yīng)當(dāng)與輸入圖像十分相似。若所制得成品的形狀在遠(yuǎn)離光軸50的區(qū)域中 發(fā)生變形，則該距離值需要作進(jìn)一步的修正。對(duì)于不同的掃描位點(diǎn)所選擇的長(zhǎng)度值可以?xún)?chǔ) 存起來(lái)，例如儲(chǔ)存在控制器38的存儲(chǔ)器(圖中未單獨(dú)示出)中，與各自的掃描位點(diǎn)相關(guān)聯(lián)， 以供以后的修復(fù)和使用。該存儲(chǔ)器可以與控制器38分離，但與之存在通信，由此控制器38 可以在運(yùn)行過(guò)程中訪問(wèn)所儲(chǔ)存的距離值。無(wú)論在哪種情況下，控制器38都能夠基于所儲(chǔ)存 的距離值和當(dāng)前的掃描位點(diǎn)，對(duì)該距離調(diào)節(jié)進(jìn)行控制，使之與掃描器26的運(yùn)動(dòng)同步進(jìn)行。例如，距離值及其相關(guān)聯(lián)的掃描位點(diǎn)可以?xún)?chǔ)存在一個(gè)表格中。該距離值可以采用 絕對(duì)長(zhǎng)度值或者是與起始距離的差值來(lái)表示。例如，起始距離可以是產(chǎn)生最佳準(zhǔn)直光束的 距離。掃描位點(diǎn)可以采用不同的方式進(jìn)行限定或表示。例如，在一些實(shí)施例中，掃描位點(diǎn)可 以由掃描鏡的位置來(lái)限定。在其它實(shí)施例中，掃描位點(diǎn)可以由光束14B的方向，例如相對(duì)于 顯微鏡28或物鏡30的光軸的方向來(lái)限定。掃描位點(diǎn)還可以由光軸與焦平面48的截距的 二維坐標(biāo)來(lái)限定。例如，若光軸50的方向被定義為ζ軸，則可以使用截距的x_y坐標(biāo)來(lái)限 定光束14的掃描位點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，為了使目標(biāo)材料形成一個(gè)三維(3D)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的3D圖像會(huì)被 分解為面、線和點(diǎn)要素。為了形成該結(jié)構(gòu)的一個(gè)切面，首先將目標(biāo)材料固定，根據(jù)輸入的切 面圖像利用掃面器26掃描光束14，并對(duì)透鏡21與23之間的距離進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，以在掃描 期間將束腰維持在與期望得到的切面相重疊的平面上。目標(biāo)材料隨后被重新定位，以形成 該結(jié)構(gòu)的下一個(gè)切面。這一過(guò)程可以持續(xù)進(jìn)行，直至形成完整的3D結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，光束14的波長(zhǎng)可以約為740nm。干燥物鏡30的放大系數(shù)可以為 20，而顯微鏡28的視場(chǎng)可以為400μπιΧ400μπι。束腰在焦點(diǎn)處的光斑尺寸可以約為2 μ m 或更小值。焦深可以約為lOym。目標(biāo)材料40可以是為特殊應(yīng)用所選定的任何適用的材料，如本文所述。支架34由控制器38或者其它控制器(圖中未示出)控制，以適當(dāng)調(diào)整目標(biāo)物32 的位置。這些位置的調(diào)整是在用戶(hù)輸入的或者根據(jù)預(yù)設(shè)程序自動(dòng)設(shè)置的程序，以及控制器 38接收到的動(dòng)態(tài)輸入的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。這一過(guò)程可以用照相機(jī)36進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。照相機(jī)36所采集的圖像可以傳送到控 制器38進(jìn)行處理或分析，并且可以作為用于控制該系統(tǒng)中的其它部件的輸入信息。光束掃描穿過(guò)目標(biāo)物32的速度可以高達(dá)30mm/s。掃描高度(沿著光束的軸向方向)可以高達(dá)30mm。使用不同的物鏡，系統(tǒng)10的掃描分辨率可以變動(dòng)，并且可以高達(dá) 0. 1X0. 1X0. 1(微米級(jí))，即放大100倍。
當(dāng)具有足夠的功率(光束強(qiáng)度)以及合適的波長(zhǎng)或光譜的光束14聚焦在目標(biāo)材 料40的聚焦區(qū)域上時(shí)，將以一個(gè)足夠高的速率進(jìn)行高頻率的雙光子吸收，以及產(chǎn)生光化學(xué) 反應(yīng)，如光引發(fā)聚合反應(yīng)。例如，在一個(gè)典型的雙光子聚合過(guò)程中，具有高峰值功率的近紅外(OTR)光聚焦 在一個(gè)光敏聚合物上。該光敏聚合物包括光引發(fā)劑，當(dāng)單個(gè)UV光子被吸收并且所吸收的光 子能量激發(fā)一個(gè)電子時(shí)，光引發(fā)劑可以形成一個(gè)自由基以引發(fā)光化反應(yīng)。所形成的自由基 將使單體和低聚體的丙烯基中不飽和碳鍵的雙鍵斷裂，繼而產(chǎn)生新的自由基。當(dāng)兩個(gè)鏈自 由基相遇并相互反應(yīng)時(shí)，這一鏈反應(yīng)即終止。同樣的引發(fā)劑可以同時(shí)吸收兩個(gè)相干的NIR 光子并形成自由基，因?yàn)閮蓚€(gè)光子的復(fù)合光子能量同樣能夠激發(fā)電子以引發(fā)同樣的光化學(xué) 反應(yīng)。雙光子吸收的概率可以通過(guò)下述方程式進(jìn)行估算，
S2PleiNA2、2Tla OC^f (^"J)2方程式(1)
Tpfp 2ηολ其中，na是目標(biāo)材料40中的某個(gè)熒光團(tuán)在單激光脈沖期間同時(shí)吸收雙光子的概 率；Pave是激光光束14在這段反應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均功率；δ2是目標(biāo)材料40中的熒光團(tuán)分子
的分子截面面積；τ ρ是各個(gè)激光脈沖的持續(xù)時(shí)間；fp是激光的重復(fù)頻率巧=$ (h是普朗
克常數(shù))；λ是激發(fā)波長(zhǎng)(或者單光子吸收波長(zhǎng))；c是光速；而NA是物鏡30的數(shù)值孔徑。如上述方程式所決定的，雙光子吸收引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果是，在一個(gè)限定的區(qū) 域內(nèi)，即束腰周?chē)木劢箙^(qū)域內(nèi)，可以發(fā)生充分的光化學(xué)反應(yīng)，從而引起聚焦區(qū)域內(nèi)發(fā)生結(jié) 構(gòu)改變，但聚焦區(qū)域外不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，因?yàn)榫劢箙^(qū)域外發(fā)生雙光子吸收的概率太低，無(wú) 法引起明顯的結(jié)構(gòu)改變。發(fā)生雙光子吸收的聚焦區(qū)域是軸向限定的。也就是說(shuō)，聚焦區(qū)域 僅僅沿著物鏡軸線的一小部分延伸。實(shí)際上，發(fā)生雙光子吸收/激發(fā)的概率會(huì)降低，如同物 鏡焦點(diǎn)距離的第四功率，因?yàn)榧す鈴?qiáng)度本身與軸向距離成二次方相關(guān)。通常，發(fā)生雙光子吸 收的聚焦區(qū)域的體積可以小于10_12Cm3。相反，在物鏡軸線的大部分上，發(fā)生單光子吸收的 概率會(huì)保持得更穩(wěn)定，因?yàn)樗鼉H僅是激光強(qiáng)度的一個(gè)函數(shù)，而該激光強(qiáng)度與軸向距離成線 性相關(guān)。作為雙光子吸收/激發(fā)引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，在目標(biāo)材料40的聚焦區(qū)域內(nèi)會(huì)發(fā) 生期望的結(jié)構(gòu)改變。結(jié)構(gòu)改變可以包括化學(xué)結(jié)構(gòu)改變、物理結(jié)構(gòu)改變或者兩者的結(jié)合。該 結(jié)構(gòu)改變可以是肉眼可見(jiàn)或不可見(jiàn)的。因?yàn)殡p光子吸收的發(fā)生僅僅在聚焦區(qū)域內(nèi)具有較高 的概率，在聚集區(qū)域外不會(huì)發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)改變。通過(guò)控制光束14B相對(duì)于目標(biāo)材料40的 入射方向，并因此控制目標(biāo)材料40中的聚焦區(qū)域，可以形成一個(gè)3D結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程可以由 控制器38控制。目標(biāo)材料40內(nèi)的聚焦區(qū)域的軸向運(yùn)動(dòng)，是沿著物鏡30的光軸50的軸向方向，對(duì) 支架34進(jìn)行軸向移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。目標(biāo)材料40內(nèi)的聚焦區(qū)域的橫向運(yùn)動(dòng)，是利用掃描器26 使光束14B轉(zhuǎn)向，從而將光束掃描在連續(xù)掃描位點(diǎn)上而實(shí)現(xiàn)的。其它的橫向運(yùn)動(dòng)可以通過(guò) 支架34在與物鏡30的光軸50相交的平面上的平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在不同的實(shí)施例 中，這些運(yùn)動(dòng)可以采用不同的方式實(shí)現(xiàn)。例如，軸向運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)改變光束的焦平面來(lái)實(shí) 現(xiàn)，例如對(duì)一個(gè)或多個(gè)光學(xué)聚焦元件(如顯微鏡28)進(jìn)行調(diào)整或移動(dòng)。誠(chéng)然，系統(tǒng)10能夠便利地提供一些益處。由于不需要使用浸液，如浸油來(lái)浸泡物鏡，聚焦元件和目標(biāo)材料受污染的幾率就降低或者最小化了。由于焦平面變形得到動(dòng)態(tài)糾 正，可以使用較大的光學(xué)元件，因此可以利用系統(tǒng)10來(lái)構(gòu)建體積更大的裝置。與傳統(tǒng)的裝 置相比，系統(tǒng)10的操作更靈活和更簡(jiǎn)易。與物鏡浸在油或水中的傳統(tǒng)雙光子光刻技術(shù)相 比，系統(tǒng)10中的掃描速度和掃描高度相對(duì)較高。在這些傳統(tǒng)技術(shù)中，掃描高度會(huì)受油滴的 大小和物鏡的焦斑直徑限制，通常約小于1mm。在傳統(tǒng)技術(shù)中，要求使用油浸物鏡，而在系統(tǒng) 10中，對(duì)物鏡30的要求不如其嚴(yán)格。因此，在系統(tǒng)10中使用的物鏡有更多的選擇。當(dāng)使 用AOM作為遮光器時(shí)，遮蔽頻率會(huì)更高。光束擴(kuò)展器20可以提供自動(dòng)的切面平面度控制， 在雙光子光刻應(yīng)用中，無(wú)需使用油浸物鏡就能獲得相對(duì)較高的放大倍率和分辨率。此外，系統(tǒng)10可以設(shè)置激光變焦功能、裝置接合功能以及裝置排列。這些功能可 以使之通過(guò)在橫向方向上移動(dòng)支撐臺(tái)，生產(chǎn)更大的目標(biāo)裝置。與基于油浸或水浸物鏡的雙光子技術(shù)相比，系統(tǒng)10能夠提供相對(duì)較高的產(chǎn)品生產(chǎn)量。在仍然保留本文所述的一項(xiàng)或多項(xiàng)益處的前提下，可以對(duì)系統(tǒng)10進(jìn)行改進(jìn)。例 如，在不同的實(shí)施例中以及對(duì)于不同的應(yīng)用，激光光束的特性可以有所不同；一些部件或裝 置可以設(shè)置在可選的位置上并仍然滿足同樣的功能目的。例如，在不同的實(shí)施例中，照相機(jī) 36可以放置在別處并且可以接收來(lái)自光束14的光路上另一個(gè)位點(diǎn)的反射光。隔離器16可 以與激光光源12結(jié)合在一起。遮光器18也可以與另一個(gè)光學(xué)元件結(jié)合在一起，例如激光 光源12或光束擴(kuò)展器20，或者放置在光束擴(kuò)展器20的下游。光束擴(kuò)展器20可以設(shè)置為一 個(gè)整體的裝置或者由多個(gè)組件裝配起來(lái)的裝置。其它合適的光束擴(kuò)展裝置，例如ScanlabAG 公司生產(chǎn)的其它合適的裝置也可以用作光束擴(kuò)展器20。利用若干個(gè)鏡子，并將鏡子或者其 它偏轉(zhuǎn)或反射元件放置在光路的不同位置上，可以對(duì)光束14的不同光路進(jìn)行選擇。在不同 的實(shí)施例中，顯微鏡的物鏡可以面向不同的方向。由于物鏡不浸入液體中，例如油中，物鏡 的光軸可以在垂直方向、水平方向或者其它方向上進(jìn)行充分校直。在另一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)10可以采用不同于上述過(guò)程的方式進(jìn)行操作。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以對(duì)系統(tǒng)10進(jìn)行改進(jìn)以作多光子應(yīng)用，其中目標(biāo)材料中的 光化學(xué)反應(yīng)是由三個(gè)或多個(gè)光子的同時(shí)吸收觸發(fā)的?？尚械母淖儼ㄟx擇一個(gè)合適的激光 光源，其中三個(gè)或多個(gè)光子所攜帶的能量總和適合于激發(fā)目標(biāo)材料中的一個(gè)電子。激光光源12也可以采用另一種類(lèi)型的光源替代，只要該光源能夠提供一束具有 合適特性的光子束即可。在不同的實(shí)施例中，系統(tǒng)10中的任何光學(xué)元件，例如一個(gè)透鏡，都可以采用不同 的方式實(shí)現(xiàn)。例如，各個(gè)透鏡都可以采用單透鏡、復(fù)合透鏡或者一組一體或組合的透鏡，以 提供期望的功能。具有導(dǎo)向、聚焦或者改變光束特性或傳播方向作用的附加光學(xué)元件，可以設(shè)置在 光路上或者沿著光路設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)某個(gè)給定的應(yīng)用所期望的功能。附加的光學(xué)元件可以放 置在光路上任何合適的位點(diǎn)上，并且可以與圖1中已示出的元件相結(jié)合。例如，可以設(shè)置附 加的光學(xué)元件或特征，以改進(jìn)本系統(tǒng)的性能，包括減少或糾正像差，所述的像差可能是球面
像差、慧形像差或色差等。應(yīng)當(dāng)理解的是，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)涉及到平面，例如焦平面時(shí)，束腰在某些位點(diǎn)上 偏離焦平面的輕微位移是不可避免的，也是可允許的。例如，如果不會(huì)造成成品出現(xiàn)無(wú)法接受的結(jié)構(gòu)缺陷，該輕微位移是可以容忍的。可以理解的是，實(shí)際上，當(dāng)束腰充分接近于焦平 面時(shí)，由多光子吸收誘導(dǎo)的聚合反應(yīng)所形成的結(jié)構(gòu)，與束腰嚴(yán)格移至焦平面上時(shí)所形成的 結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上是相同的，或者甚至是毫無(wú)差別的，這歸因于特殊光路的焦深。因此，應(yīng)當(dāng)理解 的是，距離值的選擇不必是為了將束腰的移動(dòng)限制在一個(gè)幾何平面內(nèi)。此外，因?yàn)橛泻芏鄬?shí) 際的局限性，不可能選擇到能夠使束腰始終嚴(yán)格保持在一個(gè)幾何平面內(nèi)的距離值。所以應(yīng) 當(dāng)理解的是，當(dāng)選擇一個(gè)距離值來(lái)抵消某個(gè)給定位點(diǎn)上的視場(chǎng)曲率效應(yīng)，從而將光束聚焦 在焦平面內(nèi)的一個(gè)位點(diǎn)上時(shí)，所選擇的距離值足以使束腰聚焦在偏離理想焦平面的可容忍 的距離內(nèi)。所以，對(duì)于本發(fā)明的目的，應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)束腰的位置大體在一個(gè)平面內(nèi)時(shí)或 者充分接近于一個(gè)平面時(shí)，束腰的位置都被認(rèn)為是落在一個(gè)平面內(nèi)，因此，它們偏離該平面 的位移對(duì)成品并沒(méi)有實(shí)質(zhì)的影響。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，例如系統(tǒng)10，在很多不同的領(lǐng)域中可以有不同的應(yīng)用。例 如，系統(tǒng)10可以用于構(gòu)建3D納米級(jí)裝置(> IOOnm)，也可以用在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)(例如作為 直寫(xiě)光刻機(jī)器，用于生產(chǎn)相位掩膜、在IC(集成電路)上直接構(gòu)建光學(xué)元件、構(gòu)建傳感器)； 光電技術(shù)(例如用于加工光子晶體和其它光學(xué)結(jié)構(gòu)，以及用于量子電子學(xué)中)；無(wú)線通訊產(chǎn) 業(yè)(例如用于構(gòu)建共鳴器、波導(dǎo)管、全光學(xué)微型收發(fā)器裝置)；構(gòu)建3D納米級(jí)微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)和納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)裝置；快速成型工業(yè)(例如用在快速成型系統(tǒng)和裝置中)；組 織工程(例如用于構(gòu)建組織支架，用于器官再生)；以及化學(xué)與制藥工業(yè)(例如為手性化合 物的合成構(gòu)建底物)等。利用如上所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)雙光子光刻構(gòu)建樣品。圖3、4、5和6顯示了其中 兩個(gè)加工制品的圖像。為了生產(chǎn)這些樣品，激光光源產(chǎn)生一束波長(zhǎng)約為710nm，平均激光功 率約為IW的激光。掃描速度為lOmm/s?？梢岳斫獾氖?，本發(fā)明的實(shí)施例可以應(yīng)用于更廣的光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中。例如，在一個(gè) 用于聚焦光束的光學(xué)系統(tǒng)中，可以設(shè)置一個(gè)準(zhǔn)直儀來(lái)調(diào)節(jié)光束的散度，以產(chǎn)生準(zhǔn)直光束?？?以設(shè)置一個(gè)掃描器，以將準(zhǔn)直光束導(dǎo)向聚焦裝置，從而將光束聚焦在焦點(diǎn)上并將該焦點(diǎn)掃 描在焦平面上。可以設(shè)置一個(gè)控制器來(lái)控制準(zhǔn)直儀，從而根據(jù)焦點(diǎn)在焦平面上的位置對(duì)準(zhǔn) 直光束的散度進(jìn)行調(diào)節(jié)。散度的調(diào)節(jié)使得準(zhǔn)直光束掃描時(shí)，焦點(diǎn)始終完全保持在焦平面上。 這種系統(tǒng)在多光子立體光刻成型以外的其它應(yīng)用中也是十分有用的。應(yīng)當(dāng)理解的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠在本說(shuō)明書(shū)和附圖的基礎(chǔ)上，獲知本文未 提及的上述實(shí)施例的其它特征、益處和優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，上述實(shí)施例僅僅用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，而非用于限制本發(fā)明。所述的 實(shí)施例允許在形狀、部件排布以及操作細(xì)節(jié)和順序上，進(jìn)行多種更改。也就是說(shuō)，本發(fā)明旨 在包括在其范圍內(nèi)的所有類(lèi)似更改，如權(quán)利要求所定義的。
1權(quán)利要求
一種多光子立體光刻成型系統(tǒng)，包括光源，用于產(chǎn)生具有可誘發(fā)目標(biāo)材料發(fā)生多光子吸收的波長(zhǎng)的光束；光束擴(kuò)展器，包括一個(gè)散光透鏡和一個(gè)聚光透鏡，位于所述光束的路徑上，用于通過(guò)所述透鏡擴(kuò)展所述光束，以產(chǎn)生一束準(zhǔn)直光束，所述準(zhǔn)直光束的散度取決于所述散光透鏡與所述聚光透鏡之間的距離；聚焦裝置，包括一個(gè)干燥的物鏡，位于所述準(zhǔn)直光束的路徑上，用于將所述準(zhǔn)直光束聚焦在目標(biāo)材料上，以誘發(fā)所述目標(biāo)材料在聚焦光束的束腰處發(fā)生多光子吸收；掃描器，設(shè)置在所述準(zhǔn)直光束的路徑上，位于所述光束擴(kuò)展器與所述聚焦裝置之間，用于將所述準(zhǔn)直光束轉(zhuǎn)向所述聚焦裝置，以將所述束腰在連續(xù)掃描位點(diǎn)上掃描穿過(guò)所述目標(biāo)材料；以及控制器，基于當(dāng)前的掃描位點(diǎn)，對(duì)所述散光透鏡與所述聚光透鏡之間的距離調(diào)節(jié)進(jìn)行控制，由此所述束腰充分掃描在所有連續(xù)掃描位點(diǎn)所在的平面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于每個(gè)連續(xù)掃描位點(diǎn)都與一個(gè)單獨(dú)的預(yù)設(shè) 長(zhǎng)度相關(guān)聯(lián)，所述控制器將所述散光透鏡與所述聚光透鏡之間的距離調(diào)節(jié)為與當(dāng)前掃描位 點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的預(yù)設(shè)長(zhǎng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述控制器與所述光束擴(kuò)展器和所 述掃描器進(jìn)行通信，從而使所述距離的調(diào)節(jié)與所述準(zhǔn)直光束的掃描同步進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的多光子吸收為雙 光子吸收。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述光源發(fā)射一束脈沖 光束，其峰值功率大于310kW，平均功率在50mW至4W之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于所述平均功率大于2.5W。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6的其中之一所述的系統(tǒng)，還包括用于支承所述目標(biāo)材料的支架， 所述支架是可調(diào)節(jié)的，用于將所述目標(biāo)材料運(yùn)送向所述物鏡并將所述目標(biāo)材料安置在鄰近 該物鏡的位置上，由此，所述目標(biāo)材料與所述的平面相交。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7的其中之一所述的系統(tǒng)，還包括隔離器，位于鄰近所述光源的位 置上，用于將所述光源與反射光隔離開(kāi)來(lái)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括遮光器，位于所述隔離器的下游，用于選擇性地 透射所述光束。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述光源是一個(gè)激光光 源，其波長(zhǎng)范圍在700m至1020nm之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述干燥物鏡的數(shù)值 孔徑約為0.4至0.9。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述聚焦裝置為顯微境 O
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述掃描器為檢流計(jì)掃描器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述控制器包括一個(gè) 控制電路。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14的其中之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的平面垂直于所 述干燥物鏡的光軸。
16.一種多光子立體光刻成型方法，包括產(chǎn)生一束具有可誘發(fā)目標(biāo)材料發(fā)生多光子吸收的波長(zhǎng)的光束； 通過(guò)一個(gè)由散光透鏡和聚光透鏡組成的光束擴(kuò)展器擴(kuò)展所述光束，以產(chǎn)生一束準(zhǔn)直光 束，所述準(zhǔn)直光束的散度取決于所述散光透鏡與所述聚光透鏡之間的距離；通過(guò)一個(gè)包含干燥物鏡的聚焦裝置將所述準(zhǔn)直光束聚焦在所述目標(biāo)材料上，以誘發(fā)所 述的目標(biāo)材料在聚焦光束的束腰處發(fā)生多光子吸收；將所述準(zhǔn)直光束轉(zhuǎn)向所述聚焦裝置，從而將所述聚焦光束在連續(xù)掃描位點(diǎn)上掃描穿過(guò) 所述目標(biāo)材料；以及基于當(dāng)前的掃描位點(diǎn)對(duì)所述散光透鏡與所述聚光透鏡之間的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，由此所述 束腰充分掃描在所有連續(xù)掃描位點(diǎn)所在的平面上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于每一個(gè)連續(xù)掃描位點(diǎn)都與一個(gè)單獨(dú)的 預(yù)設(shè)長(zhǎng)度相關(guān)聯(lián)，所述的距離調(diào)節(jié)包括將所述距離調(diào)節(jié)至與當(dāng)前掃描位點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的預(yù)設(shè)長(zhǎng)度。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，其特征在于所述轉(zhuǎn)向和所述調(diào)節(jié)同步進(jìn)行。
19.根據(jù)權(quán)利要求16至18的其中之一所述的方法，其特征在于光束的產(chǎn)生包括用激 光光源產(chǎn)生光束，所述的激光光源與反射的激光相隔離。
20.根據(jù)權(quán)利要求16至19的其中之一所述的方法，還包括相對(duì)于所述物鏡移動(dòng)所述目 標(biāo)材料，從而相對(duì)于所述物鏡對(duì)所述目標(biāo)材料進(jìn)行重新定位。
21.根據(jù)權(quán)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為 雙光子吸收。
22.根據(jù)權(quán)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長(zhǎng)范圍 在700nm至1020nm之間。
23.根據(jù)權(quán)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鏡的數(shù)值 孔徑在0.4至0.9之間。
24.根據(jù)權(quán)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為脈沖光 束，其峰值功率大于310kW，平均功率在50mW至4W之間。
25.根據(jù)權(quán)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.根據(jù)權(quán)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裝置為顯微鏡。
27.根據(jù)權(quán)利要求16至26的其中之一所述的方法，其特征在于所述的轉(zhuǎn)向包括使用 檢流計(jì)掃描器對(duì)所述準(zhǔn)直光束進(jìn)行掃描。
28.一種用于聚焦光束的光學(xué)系統(tǒng)，包括準(zhǔn)直儀，用于調(diào)節(jié)所述光束的散度，以產(chǎn)生準(zhǔn)直光束；掃描器，用于將所述準(zhǔn)直光束導(dǎo)向聚焦裝置，從而將所述光束聚焦在焦點(diǎn)上并且將聚 焦光束掃描在連續(xù)掃描位點(diǎn)上；以及控制器，用于控制所述準(zhǔn)直儀，從而基于當(dāng)前的掃描位點(diǎn)對(duì)所述準(zhǔn)直光束的散度進(jìn)行 調(diào)節(jié)，由此所述焦點(diǎn)充分掃描在所有連續(xù)掃描位點(diǎn)所在的焦平面上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可用于多光子立體光刻成型的光束聚焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)用于調(diào)節(jié)光束散度的準(zhǔn)直儀或光束擴(kuò)展器，以及一個(gè)用于將光束導(dǎo)向聚焦裝置從而將光束聚焦在焦點(diǎn)或束腰上并對(duì)聚焦光束進(jìn)行掃描的掃描器。設(shè)有一個(gè)控制器來(lái)控制光束散度的調(diào)節(jié)，從而使焦點(diǎn)或束腰充分掃描在一個(gè)平面上。設(shè)有一個(gè)光源來(lái)產(chǎn)生光束。光束擴(kuò)展器可以由一個(gè)散光透鏡和一個(gè)聚光透鏡組成，用于擴(kuò)展光束以產(chǎn)生準(zhǔn)直光束。準(zhǔn)直光束的散度取決于所述散光透鏡與所述聚光透鏡之間的距離，該距離可以進(jìn)行調(diào)節(jié)從而對(duì)光束散度進(jìn)行調(diào)節(jié)。聚焦裝置可以包括一個(gè)干燥的物鏡，從而將準(zhǔn)直光束聚焦在目標(biāo)材料上以誘發(fā)目標(biāo)材料在聚焦光束的束腰處發(fā)生多光子吸收。
文檔編號(hào)G02B27/30GK101896852SQ200880108066
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2008年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者應(yīng)儀如, 簡(jiǎn)錫恒, 謝曾明 申請(qǐng)人:新加坡科技研究局