CN108037641A - 一种基于有效光强分布的蛾眼结构制备系统及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于有效光强分布的蛾眼结构制备系统及其制备方法。所述系统包括：固体激光器、光束整形器、光束扩束器、光束分束器、光束调整及能量控制组件、二维位移样品台和计算机；所述固体激光器发出激光光束后，所述激光光束依次经所述光束整形器、光束扩束器和光束分束器后形成六束或六束以上相干光束，再经光束调整及能量控制组件后，在位于所述二维位移样品台的样品表面干涉形成周期性蛾眼结构干涉图样，所述二维位移样品台的移动可通过计算机或人工控制，所述光束分束器用于实现相干光束的分光。本发明极大地降低了系统的复杂程度，提高了整个光刻系统的灵活性，应用环境和领域将更为广泛。

Description

一种基于有效光强分布的蛾眼结构制备系统及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种有效光强分布技术及其光刻系统，具体涉及一种结构简单且低成本的基于有效光强分布的蛾眼结构制备系统及其制备方法。

背景技术

目前的周期性蛾眼制备方法中，主要是以传统的光刻系统设计思路为主，所采用的光刻系统相对较大，无法得到仿生度较高的六边形。双周期蛾眼结构，而且分光系统的光路设计也非常复杂使得整个光刻系统的复杂度且价格很高，极大地限制了系统的应用范围。

激光干涉有效光强分布的原理是根据材料加工阈值，利用激光干涉产生光强能量的有效分布与材料相互作用而制造出具有蛾眼结构特征的微纳米结构。干涉图案具有六边形、双周期的能量分布。该技术具有蛾眼结构快速制备、特征尺寸、形状和周期从纳米到微米连续可调的优点。激光干涉的有效光强分布的提供了一种快速、大面积制造周期性蛾眼特征微纳米结构表面的技术。其潜在应用包括：宽带光学减反膜、自清洁表面、纳米过滤器、光子晶体及利用激光干涉控制的纳米材料制造等。

现有技术公开有一种多光束半导体激光干涉纳米光刻技术及其系统，其为利用半导体脉冲激光，通过耦合分束器得到所需的两束或多束相干光，这些相干光在经过耦合、扩束、准直，利用干涉场中的光强分布在光敏材料表面形成周期性干涉图样。这种系统较为复杂，可靠性差，应用环境和领域狭窄。

现有技术中还公开有一种表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备装置，该装置包括He-Cd激光器、光电快门、扩束器、1/2波片、分束器、平面反射镜、棱镜、Al膜、光刻样品和光刻样品旋转控制系统。He-Cd激光器发出的激光束经光电快门，扩束器、1/2波片和分束器后，由平面反射镜反射，经棱镜耦合，以表面等离子体的激发角辐照到Al膜上，激发Al膜和光刻胶界面的两束沿相反方向传播的表面等离子体波，两束表面等离子体波的干涉场曝光光刻胶。该技术方案采用分束器虽然具有较大的衍射角度，但是其价格较为昂贵，不符合实际要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的系统和方法的不足，提出一种制备效率高、结构仿生度、系统复杂度低、系统调制灵活的周期性蛾眼制备系统及其制备方法。

第一方面，本发明提供了一种基于有效光强分布的蛾眼结构制备系统，包括：固体激光器、光束整形器、光束扩束器、光束分束器、六个或六个以上光束调整及能量控制组件、二维位移样品台和计算机；所述固体激光器发出激光光束后，依次经所述光束整形器和光束扩束器后形成六束或六束以上相干光束，再经光束调整及能量控制组件后，在位于所述二维位移样品台的样品表面干涉形成周期性蛾眼结构干涉图样，所述二维位移样品台的移动可通过计算机或人工控制，所述光束分束器用于实现相干光束的分光。本发明通过控制光束分束器上衍射结构的排布来控制光束数量。

可选地，在一些实施例中，所述光束调整及能量控制组件包括反射元件以及由偏振片和波片组成的能量控制元件。

可选地，在一些实施例中，所述光束分束器为衍射元件。

可选地，在一些实施例中，通过控制二维位移样品台的移动可对光束调整及能量控制组件的参数进行调节，所述参数包括相干光束的有效光强、入射角、光束位置、相位。

可选地，在一些实施例中，所述蛾眼结构为具有六边形、双周期分布的蛾眼结构。

可选地，在一些实施例中，所述二维位移样品台可水平旋转。

可选地，在一些实施例中，所述制备系统的曝光表面既可以是平面，也可以是非平面；系统曝光既可以是干涉后单次曝光，也可以采用多次曝光如双光束干涉。

第二方面，本发明还提供了一种基于有效光强分布的蛾眼结构的制备方法，包括步骤：S101、固体激光器发出激光光束后，所述激光光束依次经所述光束整形器和光束扩束器后形成六束或六束以上相干光束；S102、所述相干光束经光束调整及能量控制组件后，在位于所述二维位移样品台的样品表面干涉形成周期性蛾眼结构干涉图样。

可选地，在一些实施例中，所述二维位移样品台的移动可通过计算机或人工控制，通过控制二维位移样品台的移动可对光束调整及能量控制组件的参数进行调节，所述参数包括相干光束的有效光强、入射角、光束位置、相位。

可选地，在一些实施例中，所述光束分束器为衍射元件，所述光束分束器用于实现六束相干光束的分光。

可选地，在一些实施例中，通过匹配光强与样品材料阈值之间的关系，来形成所需要的光刻图形。

采用多次曝光时，既可以通过样品所在平面的转动实现，也可以通过改变入射光的空间位置来实现。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的根据材料加工阈值，利用干涉产生光强能量的有效分布与材料相互作用而制造出具有蛾眼结构特征的微纳米结构，无需掩模而直接在材料上进行干涉曝光。根据材料阈值与曝光强度之间的相互作用与调整，控制干涉图形的有效光强，使得有效光强分布作用在材料表面后，形成具有六边形、双周期分布的仿生蛾眼结构。本发明采用衍射光学元件作为分束器，相比传统技术中的以光纤、分光棱镜和分光镜为主的分光系统，本发明极大地降低了系统的复杂程度，提高了整个光刻系统的灵活性，应用环境和领域将更为广泛。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的基于有效光强分布的蛾眼结构制备系统的结构示意图；

图2为根据本发明一实施例的基于有效光强分布的蛾眼特征图案阵列；

图3为根据本发明另一实施例的基于有效光强分布的蛾眼特征图案阵列。

附图标记：

100、基于有效光强分布的蛾眼结构制备系统；1、固体激光器；2、光束整形器；3、光束扩束器；4、光束分束器；5、光束调整及能量控制组件；11、二维位移样品台；12、计算器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明提供了一种基于有效光强分布的蛾眼结构制备系统100，包括：固体激光器1、光束整形器2、光束扩束器3、光束分束器4、六个或六个以上光束调整及能量控制组件5、二维位移样品台11和计算机12；所述固体激光器1发出激光光束后，依次经所述光束整形器2和光束扩束器4后形成六束或六束以上相干光束，再经光束调整及能量控制组件5后，在位于所述二维位移样品台11的样品表面干涉形成周期性蛾眼结构干涉图样，所述二维位移样品台11的移动可通过计算机1或人工控制。本发明利用固体激光作为发光光源，通过光束整形、准直、分束形成两束或者是多束相干光束，这些相干光束在样品平面汇聚、干涉，使得激光的有效光强在干涉场内重新分布，进而直接在材料表面上进行曝光然后刻蚀形成具有蛾眼特征结构及分布的周期性结构。由于光束能量控制组件和多束相干光的有效组合，使得有效光强分布作用在材料表面后，形成具有六边形、双周期分布的仿生蛾眼结构，极大地简化了蛾眼结构制备系统，提高了系统的稳定性、灵活性使其应用范围更加广泛。本发明所提供的基于有效光强分布的蛾眼结构制备系统100，其曝光表面既可以是平面，也可以是非平面；系统曝光既可以是干涉后单次曝光如六光束、八束光干涉，也可以采用多次曝光如双光束干涉。进一步优选地，所述光束调整及能量控制组件5包括反射元件以及由偏振片和波片组成的能量控制元件，在图1中，采用了6个一样的光束调整及能量控制组件5。

相对于现有技术中的采用半导体激光器的多光束半导体激光干涉纳米光刻技术，本发明的发明人通过大量的研究试验发现，采用固体激光器具有更强激光能量以及更大的相干长度，更有利于得到高对比度的光刻结构。

在本发明的多束相干光分光系统中，采用一片衍射光学元件座位分光器件，和现有技术中公开的采用数量众多的反射接和分光镜多光束半导体激光干涉纳米光刻技术相比，两者的分光原理具有本质的区别，本发明的分光系统的复杂度更低，可靠性更高。

此外，现有技术中常用加工材料是光刻阈值较低的材料或光刻胶，而本发明中采用有效光强分布的技术方法，其方法主要是通过匹配光强与材料阈值之间的关系，来形成所需要的光刻图形，而对于材料阈值的具体大小以及是否为光刻胶等感光材料，无任何要求，加工领域更加宽广。

在一些具体的实施例中，所述光束调整及能量控制组件5包括反射元件以及由偏振片和波片组成的能量控制元件。

在一些具体的实施例中，所述光束分束器4为衍射元件，所述光束分束器4用于实现六束相干光束的分光。在本发明中，分束器由衍射元件来实现，由此实现从六光束的分光。

在一些具体的实施例中，通过控制二维位移样品台11的移动可对光束调整及能量控制组件5的参数进行调节，所述参数包括相干光束的有效光强、入射角、光束位置、相位等，从而得到相应的周期性蛾眼表面结构(包括周期、特征尺寸和分布选择)。可以通过改变入射光束的入射角来改变蛾眼结构的周期，也可以通过改变入射光的空间角来改变蛾眼结构的周期性分布。

在一些具体的实施例中，所述蛾眼结构为具有六边形、双周期分布的蛾眼特征图案的结构。

在一些具体的实施例中，所述二维位移样品台11可水平旋转。

所述制备系统的曝光表面既可以是平面，也可以是非平面；系统曝光既可以是干涉后单次曝光，也可以采用多次曝光如双光束干涉。进一步优选地，采用多次曝光时，既可以通过样品所在平面的转动实现，也可以通过改变入射光的空间位置来实现。

本发明还提供了一种基于有效光强分布的蛾眼结构的制备方法，包括步骤：S101、固体激光器发出激光光束后，所述激光光束依次经所述光束整形器、光束扩束器和光束分束器后形成六束或六束以上相干光束；S102、所述相干光束经光束调整及能量控制组件后，在位于所述二维位移样品台的样品表面干涉形成周期性蛾眼结构干涉图样。通过调整光束分束器、整形耦合器和控制部件，通过控制相干光数目、激光干涉图形的有效光强分布，并调整偏振和入射角，从而得到具有蛾眼特征结构及分布的周期性图样。

在一些具体的实施例中，所述二维位移样品台的移动可通过计算机或人工控制，通过控制二维位移样品台的移动可对光束调整及能量控制组件的参数进行调节，所述参数包括相干光束的有效光强、入射角、光束位置、相位。

在一些具体的实施例中，所述光束分束器为衍射元件，所述光束分束器用于实现六束相干光束的分光。

在一些具体的实施例中，通过匹配光强与样品材料阈值之间的关系，来形成所需要的光刻图形。

在一些具体的实施例中，脉冲激光曝光模式可用计算机控制激光器或电子快门实现。

在一些具体的实施例中，可以根据材料的光刻阈值选择干涉图形的有效光强分布，实现其光刻特征尺寸从纳米到微米级连续可调。结合图2-3所示为根据本发明的实施例的基于有效光强分布的蛾眼特征图案阵列，其中，图2为利用本发明的制备系统制得的一维图案阵列，图3为利用本发明的制备系统制得的二维图案阵列。

通过本发明所提供的制备系统及制备方法，可制得具有真实昆虫蛾眼的标志性六边形微纳米复合结构。

根据材料加工阈值，利用干涉产生光强能量的有效分布与材料相互作用而制造出具有蛾眼结构特征的微纳米结构，无需掩模而直接在材料上进行干涉曝光。根据材料阈值与曝光强度之间的相互作用与调整，控制干涉图形的有效光强，使得有效光强分布作用在材料表面后，形成具有六边形、双周期分布的仿生蛾眼结构。衍射光学元件作为分束器被采用，替代了传动的以光纤、分光棱镜和分光镜为主的分光系统，极大地降低了系统的复杂程度，提高了整个光刻系统的灵活性，应用环境和领域将更为广泛。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统及其制备方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于有效光强分布的蛾眼结构制备系统，其特征在于，包括：固体激光器、光束整形器、光束扩束器、光束分束器、六个或六个以上光束调整及能量控制组件、二维位移样品台和计算机；所述固体激光器发出激光光束后，所述激光光束依次经所述光束整形器、光束扩束器和光束分束器后形成六束或六束以上相干光束，再经光束调整及能量控制组件后，在位于所述二维位移样品台的样品表面干涉形成周期性蛾眼结构干涉图样，所述二维位移样品台的移动可通过计算机或人工控制，所述光束分束器用于实现相干光束的分光。

2.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述光束分束器为一片衍射元件；所述光束调整及能量控制组件包括反射元件以及由偏振片和波片组成的能量控制元件。

3.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，通过控制二维位移样品台的移动可对光束调整及能量控制组件的参数进行调节，所述参数包括相干光束的有效光强、入射角、光束位置、相位。

4.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述蛾眼结构为具有六边形、双周期分布的蛾眼结构。

5.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述二维位移样品台可水平旋转。

6.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述制备系统的曝光表面既可以是平面，也可以是非平面；系统曝光既可以是干涉后单次曝光，也可以采用多次曝光如双光束干涉。

7.一种基于有效光强分布的蛾眼结构的制备方法，其特征在于，利用权利要求1-6任一项所述的制备系统制备，包括步骤：

S101、固体激光器发出激光光束后，所述激光光束依次经所述光束整形器、光束扩束器和光束分束器后形成六束或六束以上相干光束；

S102、所述相干光束经光束调整及能量控制组件后，在位于所述二维位移样品台的样品表面干涉形成周期性蛾眼结构干涉图样。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述二维位移样品台的移动可通过计算机或人工控制，通过控制二维位移样品台的移动可对光束调整及能量控制组件的参数进行调节，所述参数包括相干光束的有效光强、入射角、光束位置、相位。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，通过匹配光强与样品材料阈值之间的关系，来形成所需要的光刻图形。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，采用多次曝光时，既可以通过样品所在平面的转动实现，也可以通过改变入射光的空间位置来实现。