CN103342075B - 一种硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置及使用方法 - Google Patents

一种硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

一种硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置及使用方法，属于制膜装置技术领域。装置包括金属内罩和金属外罩，利用薄膜和微纳波导结构模板将密闭压印空间分为两部分，同时抽真空，加热硫系玻璃薄膜至软化温度，通入气氛，调节上下空间气压差值，完成硫系玻璃薄膜压制微纳波导结构。本发明方法简便，工艺简单，可操控性强，设备成本低廉，适用于工业化生产。

Description

一种硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置及使用方法
技术领域
本发明涉及一种硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置及使用方法，属于制膜装置技术领域。
背景技术
硫系玻璃具有良好半导体导电性、红外透射光学性能、优良的非线性光学性能等优点，该材料的制备工艺简单、与金属易封接、原材料便宜，尤其2.5-25m波段高透的中红外光学硫系玻璃材料是重要的光电子材料，可应用于红外对抗(IRCM)、化学物遥感、红外制导、红外侦查、热像夜视仪、火焰气体探测器、环境监测、红外传输图像、空间通信等多个领域。商用微纳结构压印设备，大多只有国外高端仪器公司出售，价格昂贵，大多在十万到百万美元，对科学研究及工业推广形成屏障。利用硫卤玻璃软化变形温度低，本装置和方法可用于制备微纳波导结构的硫系薄膜器件，价格低廉，组装容易，无需购买价钱昂贵的国外商业微压印设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置及其方法。
本发明的硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置，结构简单，价格低廉，它是用薄膜和微纳波导结构模板将密闭压印空间分为两部分，同时抽真空，利用硫卤玻璃软化变形温度低，加热薄膜至软化温度，再通入气氛，调节上下空间气压差值，完成硫系玻璃薄膜压制微纳波导结构。利用气压差在硫系玻璃薄膜上压印波导结构图案。
一种硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置，包括以下部分：热膜气压印装置包括金属外罩和金属内罩，金属外罩由分别独立的外罩上盖和外罩下底座组成，外罩下底座是底面开孔的桶状结构，金属内罩在金属外罩底座的空腔内，金属内罩为上端开口、下端与外罩下底座密封连接的空腔结构，外罩下底座的开孔与金属内罩的下端口一样，外罩上盖设有通气管（S1）；金属内罩的空腔内设有加热板，加热板与金属内罩密封焊接在一起，在金属内罩的侧面设有通气管（S2），通气管（S2）位于加热板之上，金属内罩的通气管（S2）从金属内罩伸出，延伸至外罩外部，金属内罩的上端口盖有独立的具有微纳级波导结构的模板（A1），硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置如图1所示，其上下部分立体示意图见图2，整个主体下部分用电焊焊接保证空间密闭性。其中金属内罩的通气管（S2）从金属内罩伸出，延伸至外罩外部，用于对金属内罩内部空间抽真空和通入气氛；加热板是金属管与金属内罩焊接而成的传热金属板，对硫系玻璃薄膜加热，同时还起到密封的作用（见图3的剖面示意图），优选加热板与金属内罩上端口（A3）垂直距离为5mm左右。
优选金属外罩和金属内罩均为圆筒状。
采用上述的装置制备硫系玻璃薄膜微纳波导结构薄膜的方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
（1）按照所需的波导结构形状、宽度和深度，制备微纳级波导结构模板A1；
（2）将步骤（1）制备的微纳级波导结构模板（A1）反扣在硫系玻璃薄膜（A2）上，将微纳级波导结构模板（A1）和硫系玻璃薄膜（A2）水平放置在金属内罩上端口（A3）上，使得微纳级波导结构模板（A1）在硫系玻璃薄膜（A2）的上方，在微纳级波导结构模板（A1）上方压上一固定器，盖上金属外罩上盖，将硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置分为两个独立空间；
3）通过外罩上盖上通气管（S1）与金属内罩的通气管（S2），利用机械泵同时对两个独立密闭空间抽真空，抽真空过程中保持两个空间真空度相同；对加热板通电，升温至硫系玻璃薄膜软化温度，使薄膜至熔融软化状态；
4）通过外罩上盖的通气管（S1）通气氛，使微纳级波导结构模板（A1）上部空间压强比金属内罩内腔的压强大102-104Pa，保持压差3-10分钟，完成热模气压印过程；再通过金属内罩的通气管（S2）通气氛至与微纳级波导结构模板上部空间压强一致，打开两根气管连接口，一起通气氛，直至大气压强，降温至室温后，打开金属外罩上盖，取出波导结构硫系玻璃薄膜样品。
硫系玻璃加热温度范围100-800℃，密闭空间真空度最高可达到1×10-1Pa。
用于调节薄膜上下密闭空间的气氛是：氮气、氧气或氩气。
微纳级波导结构模板可以是微纳金属钨丝组成的直线型波导结构模板，或者是复杂图案化的二氧化硅模板，波导结构宽度范围为1～100μm。
本发明具有的有益效果：
本发明硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置及其方法。该方法可采用微米级金属丝做简易模板，利用气压差压制硫系玻璃薄膜波导结构图案。本发明方法简便，工艺简单，可操控性强，设备成本低廉，适用于工业化批量生产。
附图说明
图1是硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置结构示意图；
图2是硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置结构上下部分立体示意图；
图3为硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置的剖面示意图。
S1-金属外罩上盖的通气管，S2-金属内罩的通气管，A1微纳级波导结构的模板，A2-硫系玻璃薄膜，A3-金属内罩空腔上端口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明不限于以下实施例。
一种硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置见图1和图2，该装置对硫系玻璃薄膜加热至软化温度，通过调节薄膜与模板上下气压差，压制完成波导结构图案。该方法可采用微米级金属丝制作的简易模板，将硫系玻璃薄膜压印成微纳直线波导结构；或利用二氧化硅模板，压制复杂图案的波导结构。
实施例1
1）按照直线型波导结构，将微米级10μm金属丝等距离竖直缠绕在二氧化硅薄膜上，并固定首尾位置。
2）将步骤1制备的直线型波导结构模板反扣在锗镓碲硫系玻璃薄膜上，将两片薄膜水平放置在金属内罩上底面上，在模板上方压上固定器，将气压印主体部分分为两个独立密闭空间，盖上金属外罩密闭上盖。
3）通过S1、S2通气孔，利用机械泵同时对两个独立密闭空间抽真空，抽真空过程中保持两个空间真空度相同，直至真空度抽到1×10-1Pa；加热丝通电，升温至500℃，使锗镓碲薄膜软化至熔融状态。
4）切换通气孔，关闭S2通气孔，从S1通氮气，使模板上部空间压强达到10Pa，比下部空间压强大102Pa，保持压差5分钟，完成热模气压印过程。再通过S2通气氛至10Pa，打开两根气管连接口，一起通气氛，直至1×105Pa。降温至室温后，打开主体装置上盖，取出直线波导结构锗镓碲硫系玻璃薄膜传感器。
实施例2
1）采用的原料为N型(100)单晶硅片，通过热氧化的方法在在硅片表面生长二氧化硅薄膜，利用真空热蒸发技术在要刻蚀器件的表面沉积500nm厚的氧化镁薄膜，经过光刻、腐蚀，以及ICP等离子体刻蚀，形成图案化结构的SiO2薄膜
2）将步骤1制备的图案型波导结构二氧化硅模板反扣在锗砷硒硫系玻璃薄膜上，将两片薄膜水平放置在金属内罩上底面上，在模板上方压上固定器，将气压印主体部分分为两个独立密闭空间，盖上金属外罩密闭上盖。
3）通过S1、S2通气孔，利用机械泵同时对两个独立密闭空间抽真空，抽真空过程中保持两个空间真空度相同，直至真空度抽到1×10-1Pa；加热丝通电，升温至800℃，使锗砷硒薄膜软化至熔融状态。
4）切换通气孔，关闭S2通气孔，从S1通氩气，使模板上部空间压强达到102Pa，保持压差8分钟，完成热模气压印过程。再通过S2通气氛至102Pa，打开两根气管连接口，一起通气氛，直至1×105Pa。降温至室温后，打开主体装置上盖，取出图案化波导结构锗砷硒硫系玻璃薄膜传感器。

Claims (6)

1.硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置，其特征在于，包括金属外罩和金属内罩，金属外罩由分别独立的外罩上盖和外罩下底座组成，外罩下底座是底面开孔的桶状结构，金属内罩在金属外罩底座的空腔内，金属内罩为上端开口，金属内罩下端开口且下端与外罩下底座密封连接的空腔结构，外罩上盖设有通气管(S1)；金属内罩的空腔内设有加热板，加热板与金属内罩密封焊接在一起，在金属内罩的侧面设有通气管(S2)，通气管(S2)位于加热板之上，金属内罩的通气管(S2)从金属内罩伸出，延伸至外罩外部，金属内罩的上端口盖有独立的具有微纳级波导结构的模板(A1)；金属外罩和金属内罩均为圆筒状；加热板是金属管与金属内罩焊接而成的传热金属板，对硫系玻璃薄膜加热，同时还起到密封的作用。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，加热板与金属内罩上端口(A3)垂直距离为5mm。
3.利用权利要求1或2得装置制备硫系玻璃薄膜微纳波导结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照所需的波导结构形状、宽度和深度，制备微纳级波导结构模板A1；
(2)将步骤(1)制备的微纳级波导结构模板(A1)反扣在硫系玻璃薄膜(A2)上，将微纳级波导结构模板(A1)和硫系玻璃薄膜(A2)水平放置在金属内罩上端口(A3)上，使得微纳级波导结构模板(A1)在硫系玻璃薄膜(A2)的上方，在微纳级波导结构模板(A1)上方压上一固定器，盖上金属外罩上盖，将硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置分为两个独立空间；
3)通过外罩上盖上通气管(S1)与金属内罩的通气管(S2)，利用机械泵同时对两个独立密闭空间抽真空，抽真空过程中保持两个空间真空度相同；对加热板通电，升温至硫系玻璃薄膜软化温度，使薄膜至熔融软化状态；
4)通过外罩上盖的通气管(S1)通气氛，使微纳级波导结构模板(A1)上部空间压强比金属内罩内腔的压强大102-104Pa，保持压差3-10分钟，完成热模气压印过程；再通过金属内罩的通气管(S2)通气氛至与微纳级波导结构模板上部空间压强一致，打开两根气管连接口，一起通气氛，直至大气压强，降温至室温后，打开金属外罩上盖，取出波导结构硫系玻璃薄膜样品。
4.按照权利要求3的方法，其特征在于，硫系玻璃加热温度范围100-800℃。
5.按照权利要求3的方法，其特征在于，用于调节薄膜上下密闭空间的气氛是：氮气、氧气或氩气。
6.按照权利要求3的方法，其特征在于，微纳级波导结构模板是微纳金属钨丝组成的直线型波导结构模板，或者是复杂图案化的二氧化硅模板，波导结构宽度范围为1～100μm。
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