CN104049467A - 一种飞秒激光质子直写系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种飞秒激光质子直写系统，用以解决现有的直写系统，存在刻写分辨率低，功率控制不稳定，噪声大，轮廓深度有误差及对抗蚀剂的厚度要求有限制的问题，包括：主控制器；质子束生成系统，用于根据主控制器的控制，产生兆电子伏特Mev能量级的质子束；刻写装置，用于利用兆电子伏特Mev能量级的质子束，在抗蚀材料工件表面进行刻写出三维浮雕结构；随动平台，用于置放抗蚀材料工件，并运动实现横向和纵向的刻写；随动平台控制系统，用于根据主控制器的控制，控制随动平台的运动，与主控制器和随动平台连接。上述飞秒激光质子直写系统，利用高能质子束刻写出高深宽比，侧壁垂直光滑、线条边缘粗糙度低和高密度、高精度的三维浮雕结构。

Description

一种飞秒激光质子直写系统

技术领域

本发明涉及刻写系统技术领域，特别是指一种飞秒激光质子直写系统。

背景技术

质子束刻写（PBW）是近年发展迅速的一种离子束新技术。与质子束刻写相近的现有技术方案有激光直写技术、电子束刻写（EBW）。

首先，对激光直写技术和电子束刻写（EBW）技术进行简单介绍如下：

1、激光直写技术是利用强度可变的激光束对涂在基片表面的抗蚀材料变剂量曝光，显影后在抗蚀层表面形成所要求的浮雕轮廓。激光直写系统的基本工作原理是由计算机控制高精度激光束扫描，以对放置在电动平台上的光刻胶直接实施变剂量曝光，从而刻出连续浮雕结构，写出所设计的图形。

2、电子束刻写（EBW）技术是电子束和抗蚀剂材料之间的一级相互作用是电子和电子之间的碰撞，通过附加步骤（如反应离子刻蚀）制作高纵横比的结构，从而刻出连续浮雕结构。

其次，根据图1所示，其中：(b)为激光束刻写，(c)为50keV电子束刻写，说明激光直写技术和电子束刻写（EBW）技术存在的问题和缺点如下：

1、激光直写技术存在的问题有激光焦斑引起的光学临近效应，限制了激光直写的分辨率；激光器光功率稳定的控制、噪声的抑制问题；另外，加工轮廓深度与曝光强度、扫描速度、抗蚀剂材料、显影液配方和温度状态以及显影时间等多种因素有关，任何一个因素的改变都会引起轮廓深度误差。

2、在电子束刻写（EBW）技术中，电子束和抗蚀剂材料之间的一级相互作用是电子和电子之间的碰撞，这导致了入射电子的大角度多次散射而在材料中形成“梨形”电离。尽管可以通过附加步骤（如反应离子刻蚀）制作高纵横比的结构，但横向分辨率低于100nm的结构的电子束刻写只能在很薄的抗蚀剂上实现。

由此可见，现有的直写系统，存在刻写分辨率低，功率控制不稳定，噪声大，轮廓深度有误差及对抗蚀剂的厚度要求有限制的问题。

发明内容

本发明提供了一种飞秒激光质子直写系统，用以解决现有的直写系统，存在刻写分辨率低，功率控制不稳定，噪声大，轮廓深度有误差及对抗蚀剂的厚度要求有限制的问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种飞秒激光质子直写系统，包括：

主控制器；

质子束生成系统，用于根据主控制器的控制，产生兆电子伏特Mev能量级的质子束，与主控制器连接；

刻写装置，用于利用兆电子伏特Mev能量级的质子束，在抗蚀材料工件表面进行刻写出三维浮雕结构，与质子束生成系统连接；

随动平台，用于置放抗蚀材料工件，并运动实现横向和纵向的刻写；

随动平台控制系统，用于根据主控制器的控制，控制随动平台的运动，与主控制器和随动平台连接。

作为一种优选方案，主控制器具体为计算机；

计算机包括：

第一控制单元，用于产生设计的图形和结构数据、将图形和结构数据转换成用于控制激光强度的控制命令、并发送；

质子束生成系统包括：

激光控制器，用于接收控制命令、并发送，与计算机连接；

飞秒激光发生器，用于接收控制命令，并根据控制命令产生功率可变的飞秒激光，与激光控制器连接；

靶标，用于根据飞秒激光的轰击，产生兆电子伏特Mev能量级的质子束；

质子选通和聚束系统，用于对兆电子伏特Mev能量级的质子束进行选择过滤出质子、并将选择过滤出的质子进行聚焦和聚束。

作为一种优选方案，刻写装置具体为质子直写头，与质子选通和聚束系统连接。

作为一种优选方案，激光发生器包括依次连接的：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。

作为一种优选方案，标靶具体为微结构靶，包括：一层金属薄膜和设置在金属薄膜背面的一块包含有质子的材料层。

作为一种优选方案，质子选通和聚束系统包括：

质子选通系统，用于滤去激光产生的混合粒子束中除质子外的其它粒子，选择质子通过；

聚束器，用于对选择通过的质子提供周期性强聚焦，并同时在纵向对束流进行聚束，与质子选通系统连接。

作为一种优选方案，聚束器的结构依次包括：径向匹配段RMS、成形段SH和平滑聚束段GB；

平滑聚束段GB具有1个束流传输效率的横向瓶颈。

作为一种优选方案，随动平台包括：X向工作台和Y向工作台；

计算机还包括：

第二控制单元，用于产生设计的图形和结构数据、将图形和结构数据转换成用于控制随动平台运动的控制数据、并发送；

随动平台控制系统包括：

次控制器，用于接收控制数据、将控制数据进行计算、处理成用于控制X向工作台运动的第一控制信号和用于控制Y向工作台运动的第二控制信号、并发送；

第一驱动器，用于接收第一控制信号、并发送，与次控制器连接；

第二驱动器，用于接收第二控制信号、并发送，与次控制器连接。

作为一种优选方案，随动平台还包括：

第一电机，用于接收第一控制信号，并根据第一控制信号的驱动，进行工作，与第一驱动器连接；

第二电机，用于接收第二控制信号，并根据第二控制信号的驱动，进行工作，与第二驱动器连接；

第一传动装置，用于根据第一电机的驱动进行工作，与第一电机驱动连接；

第二传动装置，用于根据第二电机的驱动进行工作，与第二电机驱动连接；

第一导轨，用于根据第一传动装置的传动进行运动，与第一传动装置和X向工作台连接；

第二导轨，用于根据第二传动装置的传动进行运动，与第二传动装置和Y向工作台连接。

作为一种优选方案，

第一电机具体为第一步进电机，与第一驱动器连接；

第二电机具体为第二步进电机，与第二驱动器连接；

第一传动装置具体为第一滚珠丝杠副，其丝杠与第一步进电机轴向驱动连接；

第二传动装置具体为第二滚珠丝杠副，其丝杠与第二步进电机轴向驱动连接；

第一导轨具体为第一滚动直线导轨副，与第一滚珠丝杠副驱动连接；

第二导轨具体为第二滚动直线导轨副，与第二滚珠丝杠副驱动连接；

随动平台还包括：

第一齿轮减速机构，与第一步进电机和第一滚珠丝杠副的丝杠轴向驱动连接；

第二齿轮减速机构，与第二步进电机和第二滚珠丝杠副的丝杠轴向驱动连接。

本发明提供的飞秒激光质子直写系统，工作时，主控制器产生设计的图形和结构数据，将数据转换成本发明提供的飞秒激光质子直写系统控制数据；由主控制器控制质子束生成系统产生兆电子伏特Mev能量级的质子束，通过刻写装置，打到随动平台的抗蚀材料工件上。由随动平台控制系统精确控制随动平台在横向和纵向方向上的进给量，来完成横向和纵向的雕刻；主控制器在控制随动平台系统的同时，协调控制质子束生成系统，使工作台的运动与质子束生成系统的输出相协调，通过控制质子束生成系统的输出强度来实现不同兆电子伏特Mev能量级的质子束，从而实现不同深度的刻写。这样主控制器同时协调控制调整出射的质子束的能量和随动平台的动作，从而产生所需的三维浮雕结构。

另外，由于MeV质子束和物质的相互作用具有以下特性：

（1）除少量末端加宽外，质子束沿直线运动，非常适于制造高纵横比的结构。

（2）质子束穿透材料时与材料的作用剂量相对均匀。

（3）质子束的贯穿深度可以通过质子的能量而精确地控制，这一点可被利用于在一层抗蚀剂中形成多层结构。

（4）质子束与抗蚀剂作用产生的二次电子能量很低（一般小于100eV)，所以临近效应远小于电子束刻写的情况。

所以，与现有技术相比，本发明提供的飞秒激光质子直写系统，利用高能质子束刻写出高深宽比，侧壁垂直光滑、线条边缘粗糙度低和高密度、高精度的三维浮雕结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有刻写技术效果示意图；

图2为本发明实施例一提供的飞秒激光质子直写系统的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的飞秒激光质子直写系统的结构示意图；

图4为图3中提供的飞秒激光质子直写系统中随动平台及随动平台控制系统的结构示意图；

图5为图3中提供的飞秒激光质子直写系统的刻写效果与现有技术的刻写效果的比较示意图。

附图标记：1、抗蚀材料工件；2、第一滚珠丝杠副；3、第二滚珠丝杠副；4、第一滚动直线导轨副；5、第二滚动直线导轨副。

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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明实施例一提供了一种飞秒激光质子直写系统，包括：

主控制器；

质子束生成系统，用于根据主控制器的控制，产生兆电子伏特Mev能量级的质子束，与主控制器连接；

刻写装置，用于利用兆电子伏特Mev能量级的质子束，在抗蚀材料工件1表面进行刻写出三维浮雕结构，与质子束生成系统连接；

随动平台，用于置放抗蚀材料工件1，并运动实现横向和纵向的刻写；

随动平台控制系统，用于根据主控制器的控制，控制随动平台的运动，与主控制器和随动平台连接。

本发明实施例一提供的飞秒激光质子直写系统，工作时，主控制器产生设计的图形和结构数据，将数据转换成本发明实施例一提供的飞秒激光质子直写系统的控制数据；由主控制器控制质子束生成系统产生兆电子伏特Mev能量级的质子束，通过刻写装置，打到随动平台的抗蚀材料工件上，由随动平台控制系统精确控制随动平台在横向和纵向方向上的进给量，来完成横向和纵向的雕刻；主控制器在控制随动平台系统的同时，协调控制质子束生成系统，使随动平台的运动与质子束生成系统的输出相协调，通过控制质子束生成系统的输出强度来实现不同兆电子伏特Mev能量级的质子束，从而实现不同深度的刻写。这样主控制器同时协调控制调整出射的质子束的能量和随动平台的动作，从而产生所需的三维浮雕结构。与现有技术相比，本发明提供的飞秒激光质子直写系统，利用高能质子束刻写出高深宽比，侧壁垂直光滑、线条边缘粗糙度低和高密度、高精度的三维浮雕结构。

作为一种优选方案，如图3所示，本发明实施例二提供的飞秒激光质子直写系统主控制器具体为计算机；

计算机包括：

第一控制单元，用于产生设计的图形和结构数据、将图形和结构数据转换成用于控制激光强度的控制命令、并发送；

质子束生成系统包括：

激光控制器，用于接收控制命令、并发送，与计算机连接；

飞秒激光发生器，用于接收控制命令，并根据控制命令产生功率可变的飞秒激光，与激光控制器连接；

靶标，用于根据飞秒激光的轰击，产生兆电子伏特Mev能量级的质子束；

质子选通和聚束系统，用于对兆电子伏特Mev能量级的质子束进行选择过滤出质子、并将选择过滤出的质子进行聚焦和聚束。

作为一种优选方案，刻写装置具体为质子直写头，与质子选通和聚束系统连接。

作为一种优选方案，激光发生器包括依次连接的：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。

激光发生器：飞秒是一种时间单位，1飞秒=1*10-15秒，只有1秒的一千万亿分之一。飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。它在瞬间发出的巨大功率，科学家预测飞秒激光将为21世纪新能源的产生发挥重要作用。

作为一种优选方案，标靶具体为微结构靶，包括：一层金属薄膜和设置在金属薄膜背面的一块包含有质子的材料层。

本发明实施例二提供的飞秒激光质子直写系统中使用微结构靶获得准单能的质子束。工作时，飞秒激光轰击微结构靶：微结构靶采用金属薄膜的目的是使飞秒激光与之作用产生大量的超热电子，这些超热电子穿过金属薄膜建立强大的鞘电场；用富含质子的材料在薄膜后面形成点状的目的有两个：一是增加质子发射的数量，二是小于加速鞘横向尺寸的点中的质子将被一个均匀的电场加速。这样，就能够获得准单能的质子束。

作为一种优选方案，质子选通和聚束系统包括：

质子选通系统，用于滤去激光产生的混合粒子束中除质子外的其它粒子，选择质子通过；

聚束器，用于对选择通过的质子提供周期性强聚焦，并同时在纵向对束流进行聚束，与质子选通系统连接。

作为一种优选方案，聚束器的结构依次包括：径向匹配段RMS、成形段SH和平滑聚束段GB；

平滑聚束段GB具有1个束流传输效率的横向瓶颈。

质子选通系统可以滤去激光产生的混合粒子束中除质子外的其它粒子，特别的选择质子通过。聚束器可为来自质子源的质子束提供周期性强聚焦，并同时在纵向对束流进行聚束。聚束器的结构可为3段，即径向匹配段(RMS)、成形段(SH)、平滑聚束段(GB)。其中最重要的是GB段，因在该段内存在1个横向瓶颈，它是束流传输效率的关键。

作为一种优选方案，如图4所示，随动平台包括：X向工作台和Y向工作台；

计算机还包括：

第二控制单元，用于产生设计的图形和结构数据、将图形和结构数据转换成用于控制随动平台运动的控制数据、并发送；

随动平台控制系统包括：

次控制器，用于接收控制数据、将控制数据进行计算、处理成用于控制X向工作台运动的第一控制信号和用于控制Y向工作台运动的第二控制信号、并发送；

第一驱动器，用于接收第一控制信号、并发送，与次控制器连接；

第二驱动器，用于接收第二控制信号、并发送，与次控制器连接。

作为一种优选方案，随动平台还包括：

第一电机，用于接收第一控制信号，并根据第一控制信号的驱动，进行工作，与第一驱动器连接；

第二电机，用于接收第二控制信号，并根据第二控制信号的驱动，进行工作，与第二驱动器连接；

第一传动装置，用于根据第一电机的驱动进行工作，与第一电机驱动连接；

第二传动装置，用于根据第二电机的驱动进行工作，与第二电机驱动连接；

第一导轨，用于根据第一传动装置的传动进行运动，与第一传动装置和X向工作台连接；

第二导轨，用于根据第二传动装置的传动进行运动，与第二传动装置和Y向工作台连接。

作为一种优选方案，

第一电机具体为第一步进电机，与第一驱动器连接；

第二电机具体为第二步进电机，与第二驱动器连接；

第一传动装置具体为第一滚珠丝杠副2，其丝杠与第一步进电机轴向驱动连接；

第二传动装置具体为第二滚珠丝杠副3，其丝杠与第二步进电机轴向驱动连接；

第一导轨具体为第一滚动直线导轨副4，与第一滚珠丝杠副2驱动连接；

第二导轨具体为第二滚动直线导轨副5，与第二滚珠丝杠副3驱动连接；

随动平台还包括：

第一齿轮减速机构，与第一步进电机和第一滚珠丝杠副2的丝杠轴向驱动连接；

第二齿轮减速机构，与第二步进电机和第二滚珠丝杠副3的丝杠轴向驱动连接。

本发明实施例二提供的飞秒激光质子直写系统，工作时，用计算机产生设计的图形和结构数据，将数据转换成直写系统控制数据；由计算机控制激光控制器，使飞秒激光发生器产生功率可变的飞秒激光，飞秒激光轰击微结构靶产生Mev级的质子束，质子束通过质子选通系统，滤去激光产生的混合粒子束中除质子外的其它粒子，特别的选择质子通过；然后，聚束器，对选择通过的质子提供周期性强聚焦，并同时在纵向对束流进行聚束质子束，再通过质子直写头，打到随动平台上的抗蚀材料工件上。由随动平台控制系统精确控制X向工作台和Y向工作台的进给量。计算机在控制随动平台系统的同时，协调控制激光控制器，使X向工作台和Y向工作台的运动与激光器控制器的输出相协调，通过控制飞秒激光的强度和随动平台的运动，调整出射的质子束的能量和平台的动作，从而产生所需的三维浮雕结构。

如图5所示，本发明实施例二提供的飞秒激光质子直写系统的效果图和现有技术中的刻写效果相比较，其中：(a)为3MeV质子束刻写，(b)为激光束刻写，(c)为50keV电子束刻写，本发明提供的飞秒激光质子直写系统，利用高能质子束刻写出高深宽比，侧壁垂直光滑、线条边缘粗糙度低和高密度、高精度的三维浮雕结构，并将工艺水平提升到纳米级。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞秒激光质子直写系统，其特征在于，包括：

主控制器；

质子束生成系统，用于根据所述主控制器的控制，产生兆电子伏特Mev能量级的质子束，与所述主控制器连接；

刻写装置，用于利用所述兆电子伏特Mev能量级的质子束，在抗蚀材料工件表面进行刻写出三维浮雕结构，与所述质子束生成系统连接；

随动平台，用于置放所述抗蚀材料工件，并运动实现横向和纵向的刻写；

随动平台控制系统，用于根据所述主控制器的控制，控制所述随动平台的运动，与所述主控制器和所述随动平台连接。

2.如权利要求1所述的质子直写系统，其特征在于，

所述主控制器具体为计算机；

所述计算机包括：

第一控制单元，用于产生设计的图形和结构数据、将所述图形和结构数据转换成用于控制激光强度的控制命令、并发送；

所述质子束生成系统包括：

激光控制器，用于接收所述控制命令、并发送，与所述计算机连接；

飞秒激光发生器，用于接收所述控制命令，并根据所述控制命令产生功率可变的飞秒激光，与所述激光控制器连接；

靶标，用于根据所述飞秒激光的轰击，产生兆电子伏特Mev能量级的质子束；

质子选通和聚束系统，用于对所述兆电子伏特Mev能量级的质子束进行选择过滤出质子、并将选择过滤出的质子进行聚焦和聚束。

3.如权利要求2所述的质子直写系统，其特征在于，

所述刻写装置具体为质子直写头，与所述质子选通和聚束系统连接。

4.如权利要求3所述的质子直写系统，其特征在于，

所述激光发生器包括依次连接的：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。

5.如权利要求4所述的质子直写系统，其特征在于，

所述标靶具体为微结构靶，包括：一层金属薄膜和设置在所述金属薄膜背面的一块包含有质子的材料层。

6.如权利要求5所述的质子直写系统，其特征在于，

所述质子选通和聚束系统包括：

质子选通系统，用于滤去激光产生的混合粒子束中除质子外的其它粒子，选择质子通过；

聚束器，用于对选择通过的质子提供周期性强聚焦，并同时在纵向对束流进行聚束，与所述质子选通系统连接。

7.如权利要求6所述的质子直写系统，其特征在于，

所述聚束器的结构依次包括：径向匹配段RMS、成形段SH和平滑聚束段GB；

所述平滑聚束段GB具有1个束流传输效率的横向瓶颈。

8.如权利要求7所述的质子直写系统，其特征在于，

所述随动平台包括：X向工作台和Y向工作台；

所述计算机还包括：

第二控制单元，用于产生设计的图形和结构数据、将所述图形和结构数据转换成用于控制随动平台运动的控制数据、并发送；

所述随动平台控制系统包括：

次控制器，用于接收所述控制数据、将所述控制数据进行计算、处理成用于控制X向工作台运动的第一控制信号和用于控制Y向工作台运动的第二控制信号、并发送；

第一驱动器，用于接收所述第一控制信号、并发送，与所述次控制器连接；

第二驱动器，用于接收所述第二控制信号、并发送，与所述次控制器连接。

9.如权利要求8所述的质子直写系统，其特征在于，

所述随动平台还包括：

第一电机，用于接收所述第一控制信号，并根据所述第一控制信号的驱动，进行工作，与所述第一驱动器连接；

第二电机，用于接收所述第二控制信号，并根据所述第二控制信号的驱动，进行工作，与所述第二驱动器连接；

第一传动装置，用于根据所述第一电机的驱动进行工作，与所述第一电机驱动连接；

第二传动装置，用于根据所述第二电机的驱动进行工作，与所述第二电机驱动连接；

第一导轨，用于根据所述第一传动装置的传动进行运动，与所述第一传动装置和所述X向工作台连接；

第二导轨，用于根据所述第二传动装置的传动进行运动，与所述第二传动装置和所述Y向工作台连接。

10.如权利要求9所述的质子直写系统，其特征在于，

所述第一电机具体为第一步进电机，与所述第一驱动器连接；

所述第二电机具体为第二步进电机，与所述第二驱动器连接；

所述第一传动装置具体为第一滚珠丝杠副，其丝杠与所述第一步进电机轴向驱动连接；

所述第二传动装置具体为第二滚珠丝杠副，其丝杠与所述第二步进电机轴向驱动连接；

所述第一导轨具体为第一滚动直线导轨副，与所述第一滚珠丝杠副驱动连接；

所述第二导轨具体为第二滚动直线导轨副，与所述第二滚珠丝杠副驱动连接；

所述随动平台还包括：

第一齿轮减速机构，与所述第一步进电机和第一滚珠丝杠副的丝杠轴向驱动连接；

第二齿轮减速机构，与所述第二步进电机和第二滚珠丝杠副的丝杠轴向驱动连接。