滨松空间光调制器赋能下一代大规模并行3D纳米光刻技术

在先进材料、微型化器件和集成微系统需求日益增长的今天，能够可靠制造复杂、多尺度、三维架构的技术变得至关重要。然而，传统的3D激光纳米制造技术因常规成像光学元件的视场限制，在通向大规模化的道路上面临着吞吐量、邻近误差和拼接缺陷的根本性挑战。

近期，Songyun Gu，Chenkai Mao等人发表于《自然》杂志题目为《3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination》取得了突破性研究进展，展示了一种可扩展的3D纳米制造技术。该技术利用滨松的LCOS-SLM加超透镜阵列相结合并行的进行了大范围、高精度的3D双光子光刻，将写入场区域扩展到厘米级，特征尺寸低至113nm。

滨松LCOS-SLM(型号 X15213-02R)在此系统中的关键作用主要有两点，第一个主要功能是通过光路的设计加算法实现振幅调制功能，其设计光路如下图所示，属于相位-振幅型调制光路，垂直偏振的飞秒激光经过扩束和PBS后，通过一个1/4波片变成圆偏振光直接打到SLM上，基于琼斯矩阵算法(具体算法公式请参考原文)实现对光的控制，SLM加载相位调制完，再通过两个1/4波片形成水平偏振和强度调制的光，然后通过4f系统打在超透镜阵列上。SLM通过算法的切换，实现像素级的激光的开关功能。另外该光路在4f系统的第一个透镜的聚焦位置，放置了一个真空腔，其目的是为了防止超短脉冲激光在空气中产生电离。

第二主要功能是进行阵列聚焦光斑的均匀性校正。双光子光刻是一种高度敏感的非线性过程。由于显微镜系统与超透镜的数值孔径不匹配，强度测量的精度不足以实现高质量的并行双光子光刻。为解决此问题，在上一步获得的相位图基础上，进一步通过微调空间光调制器相位值，打印一系列方块图案。打印完成后，统计成功打印的方块数量，并将其作为直接依据来确定能确保各聚焦光斑强度均匀的精确空间光调制器相位值，如附图3所示。

图1 LCOS-SLM调制光路及原理

图2 LCOS-SLM与超透镜结合飞秒双光子刻写原理图

图3 通过LCOS-SLM调节实现灰度打印

随着更大规模的超透镜阵列、更先进的SLM技术以及更强大的飞秒激光器的商用化，这种并行化概念有望将吞吐量提升至每秒百亿个体素以上。滨松LCOS-SLM作为实现光路可编程、过程自适应的核心部件，必将在推动3D纳米光刻走向晶圆级生产、赋能微电子、生物医学等领域的变革性应用中，持续发挥不可替代的关键作用。

滨松纯振幅调制系统

滨松工程师团队其强大的算法与光路设计能力，设计了一套基于LCOS-SLM纯振幅调制系统，整个系统主要是分为光束扩束、光振幅调节、样品台、相机观测、软件控制五个部分。

图4 滨松振幅型调制系统