一種製作表面周期微細結構的方法及其裝置的製作方法

2023-06-09 22:43:31

專利名稱：一種製作表面周期微細結構的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及材料科學和雷射微加工領域，特指採用雷射幹涉光刻技術對材料表面進行微細加工形成周期性微觀粗糙結構的一種方法及裝置，可適用於多種金屬、無機非金屬及其化合物等材料。
背景技術：
具有跨尺度表面周期性微觀粗糙結構的材料的製備及其性能一直是國內外眾多學者深入研究的重要課題。通過在材料表面製作微納米尺度結合的複合粗糙結構來實現材料表面的超疏水性能，可使得材料具有無比優越的自潔特性，材料的防汙染、抗氧化、抗腐蝕、抗老化等能力將大大提高。這一研究方向最初來源於人們對生物表面的「荷葉效應」的探討，人們在研究中發現，許多生物表面具有微米與納米相結合的階層複合結構，這種微納米尺度結合的雙層或多層複合粗糙結構正是許多生物表面具有超疏水性能的根本原因。自此以後，反映生物表面重要特徵的表面潤溼性就逐步發展成為物理學和生物學領域的研究熱點。
影響固體表面浸潤性的因素主要有兩個，即表面自由能和表面粗糙度。因此，在工業生產和日常生活中具有廣泛應用前景的超疏水性表面(與水的接觸角大於150°)一般可通過兩種方法製備，一種是在疏水材料(與水的接觸角大於90°)表面構建微觀粗糙結構；另一種是在粗糙表面上修飾低表面能的物質。研究表明，即使是具有最低表面能的光滑表面，其與水的接觸角也僅有119°左右，因而構造微觀粗糙結構就成為使材料表面獲得超疏水性能的最為有效的方法。
目前已出現了許多製作表面微細粗糙結構的方法，例如等離子體處理法、陽極氧化法、碳納米管生長法、相分離法以及雷射刻蝕法等。其中雷射刻蝕法用於材料表面微結構加工以實現材料表面疏水性能的研究由來已久，現今它已逐步被應用於矽基半導體產品的製作中。
雷射刻蝕技術是採用高能脈衝雷射束對材料表面掃描得到具有一定寬度和深度的微細小槽，以改善材料表面的潤溼特性。它具有非接觸、無汙染和可實現微納米尺度精細加工等特點，最早是在20世紀80年代針對準分子雷射加工技術提出的。隨著雷射器質量的提高和控制系統的改善，雷射刻蝕技術更是得到了越來越廣泛的應用。
雷射刻蝕法中的雷射幹涉光刻技術是微細加工技術和微電子領域的前沿研究課題。雷射幹涉光刻技術就是利用光的幹涉和衍射特性，通過特定的光束組合方式來調控幹涉場內的光強度分布，並用感光材料記錄下來，從而在基體材料上產生光刻圖形。德國的C.Daniel等人對採用雷射幹涉技術在鍍膜的矽片表面獲得周期性微納米結構進行研究發現，雷射幹涉能造成金屬表面的微納米結構重組。四川大學的張錦博士也對雷射幹涉光刻技術進行了計算模擬和實驗探討，還開展了幹涉光刻技術的初步應用研究，她的研究成果對於採用雷射幹涉光刻技術進行表面微結構製造具有極大的理論指導和借鑑意義。
與雷射幹涉技術相比，其他傳統雷射刻蝕技術存在一定的局限性，主要表現在以下方面解析度低。傳統的雷射刻蝕技術一般採用掩模投影成像技術獲得刻蝕圖形，其解析度受到曝光波長和成像系統數值孔徑的限制，進一步推進刻蝕極限比較困難。
加工面積小，成本高。傳統雷射刻蝕技術為了提高解析度，曝光視場不得不局限在很小的範圍內，實際加工時要將小「視場」的刻蝕圖形逐場掃描到較大的基體表面，而這又需要配備複雜的加工定位系統，大大增加了加工設備的成本。
應用受限。由於傳統雷射刻蝕系統固有的光學特性，其曝光區域小，且加工時難以得到清晰的多維圖形，大大限制了在大尺寸基體材料表面精細微結構加工方面的應用。

發明內容
本發明的目的是提供一種獲得表面周期性粗糙結構的、優於傳統雷射刻蝕技術的方法及裝置，它是應用調Q納秒脈衝雷射器實現多光束幹涉光刻來直接對材料表面進行微細加工。
本發明按照如下的方案來實現開啟雷射器，使由雷射器發出的雷射束經過帶通濾波片、電子光閘、擴束器後由分束鏡分成多束光，分束後的光束通過光學延遲器來調節光程差以滿足相干條件，最後經聚焦鏡聚焦後共同作用於放置在三維驅動工作檯上的加工樣品表面。操作中由計算機控制系統控制電子光閘的開關來實現光路的通斷。每次曝光完成後還可以根據加工要求由計算機控制系統驅動三維驅動工作檯來實現加工樣品的微動調節，再進行曝光，這樣在樣品表面可以獲得不同的光刻圖形。
在操作的過程中，可以通過控制擴束器和反射鏡的通光孔徑來增大曝光區域面積，從而有效提高微加工效率；通過改變相干光束的夾角或進行多光束幹涉曝光來調節表面微觀粗糙結構的周期，從而獲得精細的光刻圖形。
帶通濾波片的作用是調節雷射束的頻帶寬度和光強，電子光閘的作用是控制雷射光束的適時通斷，擴束器的作用是將光斑直徑調節為所要求的尺寸，分束鏡的作用是將雷射束分成能量相等的多束光(例如雙光束幹涉光刻時可採用一個分束比(即透反比)為1∶1的分束鏡，三光束幹涉光刻時可採用分束比分別為1∶2和1∶1的兩個分束鏡來組合實現)。
本發明的裝置主要由雷射器、雷射分束體系、光束延遲體系、光束聚焦體系和樣品控制系統依次組成，其中雷射光束採用納秒脈衝雷射器的二倍頻輸出(波長532nm)或者基波輸出(波長1064nm)。
本發明與其他傳統的雷射刻蝕技術相比具有以下技術優勢加工系統簡單易操作，成本較低。該系統的光路簡單而且容易調節，系統中不需要採用掩模，不用昂貴的短波長光源和成像透鏡，就可以得到納米尺寸的光刻圖形。
可實現大面積周期微觀粗糙結構的製作，效率較高。幹涉光刻的曝光視場的尺寸對應於光束口徑的大小，僅受限於擴束器和反射鏡的通光孔徑，與其他刻蝕技術相比，該方法的大「視場」更容易實現，因此可在較大範圍面積內產生精細的光刻圖形，加工效率也因此得到提高。
微觀粗糙結構的周期可控，解析度較高。改變相干雷射光束的入射角或者採用多光束幹涉即可準確調整表面微觀結構的周期，達到超亞微米級甚至納米級的解析度。
幹涉光刻具有無限焦深，可應用於特別的場合。幹涉光刻實際的焦深由光束的重疊範圍和所使用的雷射光源的相干性(相干長度為米量級)決定，幹涉光的相干長度對應於傳統光學光刻中的焦深。若採用短波長光源，與現行的投影光刻成像光學系統的焦深(微米級)相比，其較長的相干長度使得幹涉光刻相當於擁有「無窮大」的焦深，特別適合在基體材料尺寸大、面形精度無法精確控制的情況下使用。


圖1雷射雙光束幹涉光刻製作表面周期微細結構的裝置示意2雷射雙光束幹涉光刻原理示意圖1 Nd:YAG調Q納秒脈衝雷射器，2帶通濾波片，3電子光閘，4擴束器，5分束比為1∶1的分束鏡，6反射鏡，7光學延遲器，8反射鏡，9反射鏡，10聚焦鏡，11基體材料(即加工樣品)，12三維驅動工作檯，13計算機控制系統，14相干雷射束，15相干雷射束，16光刻圖形(即表面周期微觀粗糙結構)，17兩相干光疊加後的波形。
具體實施例方式
下面結合圖1說明本發明的具體裝置的細節和實施情況。
雷射幹涉光刻製作表面周期微細結構的裝置依次由Nd:YAG調Q納秒脈衝雷射器(1)、幹涉光路系統和樣品控制系統組成。幹涉光路系統包括雷射分束體系、光束延遲體系和光束聚焦體系，包括依次連接的帶通濾波片(2)、擴束器(4)、分束鏡(5)、反射鏡(6)、光學延遲器(7)、反射鏡(8)，以及與分束鏡(5)依次相連的反射鏡(9)、聚焦鏡(10)，樣品控制系統由電子光閘(3)、加工樣品(11)、三維驅動工作檯(12)和計算機控制系統(13)組成；其中電子光閘(3)位於帶通濾波片(2)、擴束器(4)之間，聚焦鏡(10)下分別放置加工樣品(11)與三維驅動工作檯(12)，在實際微加工過程中，加工樣品(11)固定在三維驅動工作檯(12)上，當計算機控制系統(13)驅動三維驅動工作檯(12)時加工樣品(11)隨之一起移動，從而可以實現雷射焦點光斑與加工樣品(11)之間的相對運動。與此同時，計算機控制系統(13)還要協調控制電子光閘2的開關動作，以實現雷射光束的適時通斷。
圖2是雷射雙光束幹涉光刻原理示意圖。由幹涉理論，兩光束滿足相干光的條件(頻率相同、振動方向相同、相位差恆定)時可形成明暗相間的幹涉條紋。本實施例中，由同一雷射源發出的兩束相干雷射束(14)和(15)分別以入射角θ1和θ2作用於基體材料(11)的表面，兩相干光束的光強疊加，兩相干光疊加後的波形(17)的波峰(光強較強)對應於明條紋，波谷(光強較弱)對應於暗條紋，因而光作用區域的基體材料將會產生形貌的改變，從而形成光刻圖形(16)。光刻圖形(16)的周期d與相干光的波長λ、相干光的入射角θ1和θ2有關，關係式為d＝λ/(sinθ1+sinθ2)。
本發明的具體裝置也可以延伸至多光束幹涉光刻，唯一不同的地方是在幹涉光路系統要根據需要採用多個不同分束比的分束鏡組合將光束分成能量相同的多束光。
權利要求
1.一種製作表面周期微細結構的方法，其特徵是首先開啟雷射器，使由雷射器發出的雷射束經過帶通濾波片、電子光閘、擴束器後由分束鏡分成多束光，分束後的光束通過光學延遲器來調節光程差，最後經聚焦鏡聚焦後共同作用於放置在三維驅動工作檯上的加工樣品表面。
2.實現權利要求1所述的一種製作表面周期微細結構的方法的裝置，其特徵是依次由Nd:YAG調Q納秒脈衝雷射器(1)、幹涉光路系統和樣品控制系統組成，幹涉光路系統包括雷射分束體系、光束延遲體系和光束聚焦體系，其包括依次連接的帶通濾波片(2)、擴束器(4)、分束鏡(5)、反射鏡(6)、光學延遲器(7)、反射鏡(8)，以及與分束鏡(5)依次相連的反射鏡(9)、聚焦鏡(10)，樣品控制系統由電子光閘(3)、加工樣品(11)、三維驅動工作檯(12)和計算機控制系統(13)組成；其中電子光閘(3)位於帶通濾波片(2)、擴束器(4)之間，聚焦鏡(10)下分別放置加工樣品(11)與三維驅動工作檯(12)，雷射光束採用納秒脈衝雷射器的二倍頻輸出即波長532nm或者基波輸出波長1064nm。
全文摘要
本發明特指採用雷射幹涉光刻技術對材料表面進行微細加工形成周期性微觀粗糙結構的方法及裝置，可適用於多種金屬、無機非金屬及其化合物等材料。其首先開啟雷射器，使由雷射器發出的雷射束經過帶通濾波片、電子光閘、擴束器後由分束鏡分成多束光，分束後的光束通過光學延遲器來調節光程差以滿足相關條件，最後經聚焦鏡聚焦後共同作用於放置在三維驅動工作檯上的加工樣品表面。可以根據加工要求由計算機控制系統驅動三維驅動工作檯來實現加工樣品的微動調節，再進行曝光，這樣在樣品表面可以獲得不同的光刻圖形。本發明加工系統簡單易操作，成本較低。且光路簡單而且容易調節，可實現大面積周期微觀粗糙結構的製作，效率較高。
文檔編號G02B27/10GK1862353SQ20061008534
公開日2006年11月15日 申請日期2006年6月12日 優先權日2006年6月12日
發明者周明, 李保家, 蔡蘭 申請人:江蘇大學