CN103852975B - 一种激光干涉纳米光刻制备双重周期纳米结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种激光干涉纳米光刻制备双重周期纳米结构的方法，利用入射光束与调制光束的特定组合方式对干涉光场进行周期性调制，形成的干涉周期、调制周期在内的双重周期纳米结构，结合不同材料的光刻特性，在材料表面直接制造双重周期纳米结构。突破了激光干涉光刻技术制造二维单一周期性结构的局限性。
Description
技术领域
本发明涉及激光干涉纳米光刻技术领域，属于对激光干涉纳米光刻技术在制造单一周期纳米结构方面的拓展。
技术背景
在过去的二十年时间里，纳米科技以独特的魅力几乎渗透到所有科技和工业领域。高性能材料和新型元器件都依赖于纳米科技的发展。要实现纳米效应，首先需要具有纳米结构，需要通过纳米制造、纳米加工技术将物体加工到纳米尺度。
在现有的微细加工制造领域中，主要有以下几种制造技术：
光学光刻(Optical Lithography，OL)、电子束光刻(Electron Beam Lithography，EBL)、聚焦离子束光刻(Focused Ion Beam，FIB)和纳米压印(Nanoimprint Lithography，NIL)。其中OL由于投影物镜数值孔径的限制，不适于较小分辨率结构的制造，并且昂贵的掩模板使得制造工艺缺乏灵活性。虽然EBL和FIB具有极高的分辨率，但EBL和FIB由于耗时的连续刻蚀属性，很难在大面积纳米结构制造中发挥优势，其昂贵的设备费用与低效率的产出之间的矛盾制约着它们的发展。NIL技术具有生产效率高、成本低、工艺过程简单等优点，已被证实是大面积纳米结构制备方面较有前途的下一代光刻技术之一。但其缺点主要是由于它实现结构的方式是接触式，因此对材料表面粗糙度要求极高，表面的不平整会带来压印时的不均匀效果。工艺过程中的热膨胀对基底产生的负面影响和印章的污染等方面因素也对纳米压印技术走向工业化提出严峻的挑战。
激光干涉纳米光刻技术的原理是利用光的干涉特性，通过改变光束的组合方式，来实现干涉场内的光强重新分布，并记录在感光材料或者直接刻蚀材料表面制造周期性纳米结构的技术。激光干涉纳米光刻技术被认为是下一代光刻技术极具潜力的一个分支，干涉图案可以是二维的点、线、柱、孔等，并且具有特征尺寸、形状和周期从纳米到微米连续可调的优点。在空气中，周期最小可接近1/2激光波长。在大面积、低成本及高效率的加工制造领域具有广泛的应用。
与现有技术方法相比，本发明提出引入调制光束对干涉光场进行周期性调制，入射光束与调制光束的特定组合方式的干涉光场二次叠加再分布，结合不同材料的光刻特性，在材料表面制造干涉周期、调制周期在内的双重周期纳米结构。突破了激光干涉光刻技术制造二维单一周期性结构的局限性。从技术效果上说，本方法提出的双重结构在众多领域中具备重要的应用价值，如具体实施例一中的双重光栅结构可用于光纤中，实现对特定频率光波选择；具体实施例二中的孔阵光栅在衍射光学中具备新特性；具体实施例三中的类荷叶结构可为超疏水结构的制备提供新方法。
发明内容
本发明的目的在于突破只在一维/二维平面内制备纳米结构，利用多光束激光在特定入射光束和调制光束组合条件下，一次曝光获得双重周期纳米结构。
本发明通过以下技术措施实现：
1.一种激光干涉纳米光刻制备双重周期纳米结构的方法，涉及光源系统、分光系统和曝光系统，其特征在于在干涉系统中引入调制光束对干涉光场进行周期性调制，空间上形成干涉周期、调制周期在内的双重周期纳米结构。
2.根据权利要求1所述的方法，由激光器发出的激光，经过分光系统被分成多束相干光，形成围绕系统中心轴对称分布的入射光束，引入的调制光束特征在于与入射光束相同空间角但不同入射角。
3.根据权利要求2所述的方法，调整调制光束入射角的大小，改变调制周期的大小，形成不同周期的双重结构；改变入射光束和调制光束的空间角、入射角、光强和偏振角等任一参量，实现不同分布特点的双重周期图案。
4.根据权利要求3所述的方法，光源系统由相干长度较长的连续激光器或脉冲激光器组成。分光系统利用分光镜、高反射镜可获得2-4光束的入射光束和1-4光束的调制光束。曝光系统可以由感光材料(如光刻胶)也可由固体材料组成。
5.根据权利要求4所述的方法，分光系统分出的相干光在进入曝光系统之前，放置四分之一波片和偏振器件，用于精确控制入射光束和调制光束的光强和偏振状态，使每束光光强连续可调，偏振角从0°-360°连续可调。
本发明与现有的方法和系统相比有以下优点：
(1)一次曝光获得双重周期纳米结构，其他光刻技术势必需要多道工序来完成双重结构的加工制造，本发明的方法系统简单、制造成本低、加工效率高。
(2)制造方法灵活多样，对入射光束和调制光束的入射角、方位角、光强和偏振角的控制，可实现不同结构类型的双重周期纳米结构，以满足不同应用的需求。
附图说明
图1：激光干涉纳米光刻系统示意图。
(1、激光器系统；2、分光系统；3、曝光系统；4、样品台)
图2：本发明实施例一光路简图。
图3：(a)本发明实施例一CCD采集干涉图；(b)计算机仿真模拟图。
图4：本发明实施例二光路简图。
图5：(a)本发明实施例二CCD采集干涉图；(b)计算机仿真模拟图。
图6：本发明实施例三光路简图。
图7：(a)本发明实施例三CCD采集干涉图；(b)计算机仿真模拟图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整的描述。所列出的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护对象。
实施例一
如图2所示，由He-Ne激光器(633nm)发出激光，经过分光镜1和2、高反射镜3将光束分为三束相干光。图中光路I、II为入射光束，光路III为调制光束。入射光I、II的空间角成系统中心轴对称分布，即为0°和180°，调制光III的空间角与两束入射光任一的空间角相同，但入射角不同。入射光束入射角为6°，调制光束入射角为9°。通过波片和偏振器件精确控制各光束的光强和偏振角度，在干涉场形成特定条件下的双重结构。图3为CCD采集的实施例一干涉结构图和matlab模拟图。由图3可以看出，实施例一的光栅结构呈现大、小周期的双重光栅结构。
实施例二
如图4所示，由He-Ne激光器(633nm)发出的激光经过分光镜1到达干涉场为光路I；经过分光镜1、2和3到达干涉场为光路II；经过分光镜1、2和3，高反射镜5到达干涉场为光路III；经过分光镜1、2和3，高反射镜4达到干涉场为为光路IV。图中光路I、II、III为入射光束，光路IV为调制光束。入射光I、II、III的空间角成系统中心轴对称分布，即为0°、120°和240°，调制光IV的空间角与三束入射光任一的空间角相同，但入射角不同。入射光束入射角为6°，调制光束入射角为9°。通过波片和偏振器件精确控制各光束的光强和偏振角度，在干涉场形成特定条件下的双重结构。图5为CCD采集的实施例二干涉结构图和matlab模拟图。由图5可以看出，实施例二的干涉结构是以光栅为大周期，光栅上以点阵为小周期的双重结构。
实施例三
如图6所示，由He-Ne激光器(633nm)发出的激光经过1到达干涉场为光路I；经过分光镜1、2、3和4到达干涉场为光路II；经过分光镜1、2、3和5到达干涉场为光路III；经过分光镜1和2，高反射镜6和7到达干涉场为光路IV；经过分光镜1、2、3和4，高反射镜8到达干涉场为光路V；经过分光镜1、2、3和5，高反射镜9和10到达干涉场为光路VI。图中光路I、II、III为入射光束，光路IV、V、VI为调制光束。入射光I、II、III的空间角成系统中心轴对称分布，即为0°、120°和240°，调制光IV、V、VI的空间角分别与三束入射光的空间角相同，但入射角不同。入射光束入射角为6°，调制光束入射角为9°。通过波片和偏振器件精确控制各光束的光强和偏振角度，在干涉场形成特定条件下的双重结构。图7为CCD采集的实施例三干涉结构图和matlab模拟图。由图7可以看出，实施例三的干涉结构以正三角形分布的点阵为大周期并以孔阵为小周期的双重结构。
Claims (3)
1.一种激光干涉纳米光刻制备双重周期纳米结构的方法，涉及光源、分光和曝光系统，该系统由激光器发出激光，经过分光系统被分成多束相干光，形成围绕系统中心轴对称分布的入射光束以及与入射光束相同空间角但不同入射角的调制光束，其特征在于在干涉系统中引入调制光束对干涉光场进行周期性调制，空间上形成干涉周期、调制周期在内的双重周期纳米结构，并实现通过调整调制光束入射角的大小来改变调制周期的大小，形成不同周期的双重结构；改变入射光束和调制光束的空间角、入射角、光强和偏振角任一参量，实现不同分布特点的双重周期图案。
2.根据权利要求1所述的方法，光源系统由相干长度较长的连续激光器或脉冲激光器组成；分光系统利用分光镜、高反射镜可获得2-4光束的入射光束和1-4光束的调制光束；曝光系统由光刻胶或固体材料组成。
3.根据权利要求1所述的方法，分光系统分出的相干光在进入曝光系统之前，放置四分之一波片和偏振器件，用于精确控制入射光束和调制光束的光强和偏振状态，使每束光光强连续可调，偏振角从0°-360°连续可调。
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