CN108983555B - 一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法，步骤如下：在衬底上涂上光刻胶；根据光刻胶的曝光需求对激光光源发射的光信号进行调整；将调整后的激光束先穿过二维振镜，再通过物镜聚焦于光刻胶中的指定位置；将待加工的三维结构模型沿纵轴方向拆分成若干个二维平面；将所有的组合成三维模型结构的点的空间坐标信息导入到加工平台的控制系统；微移平台在控制系统预设的运动轨迹下移动，光刻胶在激光束照射下按照平台的运动轨迹进行曝光；在微移平台沿预设好的轨迹运动的同时，二维振镜按另外设置的振动方式振动，即聚焦在光刻胶里的光斑的曝光轨迹由二维振镜振动轨迹和三维微纳微移平台移动轨迹相叠加所组成。

Description

一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法

技术领域

本发明涉及三维微纳米结构加工技术领域，具体涉一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法。

背景技术

飞秒激光加工技术作为一种重要的三维微纳结构先进制造方法，在众多工业加工和制造领域拥有广泛应用。传统上，基于聚焦连续激光光束对材料进行加工的方法，一方面受光学衍射极限理论基础限制，加工分辨率抑制徘徊在微米和亚微米尺度，难于进行纳米尺度超高精度微纳结构加工，另一方面受单光子作用机理限制，被加工对象通常受限于二维平面结构。近年来，利用非线性多光子光与物质相互作用控制原理，聚焦飞秒超快脉冲激光束立体微纳结构制造技术在结构加工精细度、结构几何构型空间自由度控制方面取得了长足进步和发展。通过将超快激光应用技术、微纳米定位技术、空间光束整形技术、光学显微技术、计算机辅助立体结构设计和加工控制方法以及新型化学材料合成技术整合，已形成较完整的微细结构加工工艺和技术体系，相关技术同时具有系统简单、运行成本低、可实现任意真三维图形加工等特点。

目前应用于三维微纳结构制造的方法中，具有代表的激光扫描方式有两种：一种为逐点式扫描，另一种为向量式扫描。一般情况下，逐点运动方式扫描采用的是三维微纳位移移动平台控制方法，向量运动方式扫描采用的是二维振镜或者位移平台完成。通常，具有纳米尺度重复定位精度的三维压电位移平台由于其惯性较大，响应时间较慢，大于10ms，因而制备微纳结构的时间较长，尺寸误差大。二维振镜虽然转动惯量很小，响应时间快，但二维振镜扫描只限于在二维平面内加工高精度结构，难以加工复杂三维结构。因此，简单利用上述两种扫描方式加工三维微纳结构，在加工时间，成型器件的尺寸精度、表面光滑度控制等方面，已难满足快速发展的高精度微纳衍射光学器件制造、集成光电器件制备、生物医学器件加工等应用领域相应要求。

因此，需要寻找一种新的扫描方法来减少加工时间且改进三维微纳结构加工成型件的尺寸精度，表面光滑度等质量指标来满足各研究领域的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

S1、在衬底上涂上光刻胶；

S2、根据光刻胶的曝光需求对激光光源发射的光信号进行调整，光信号的调整参数包括扩束、偏振调节、相位调节、光强调节；

S3、将调整后的激光束先穿过二维振镜，再通过物镜聚焦于光刻胶中的指定位置；

S4、将待加工的三维结构模型沿纵轴方向拆分成若干个二维平面，每个二维平面图形由若干个点填充拟合而成；

S5、将所有的组合成三维模型结构的点的空间坐标信息导入到加工平台的控制系统，其中，所述的加工平台采用三维微纳微移平台；

S6、微移平台在控制系统预设的运动轨迹下移动，光刻胶在激光束照射下按照平台的运动轨迹进行曝光；

S7、在微移平台沿预设好的轨迹运动的同时，二维振镜按另外设置的振动方式振动，即聚焦在光刻胶里的光斑的曝光轨迹由二维振镜振动轨迹和三维微纳微移平台移动轨迹相叠加所组成。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、振镜与三维微移平台相结合的扫描方式减少了三维微纳结构制造的时间，例如，由后面实施例二可知，图4(b)中结构比图4(c)中结构分别减少了4倍和6倍。

2、本发明方法能提高曝光线条宽度精度，减少宽度误差，从而改善三微纳结构成型件质量。由后面实施例二可以看出，图4中采用本发明方法加工的结构比采用现有技术加工的结构宽度值误差分别减少了1％、7.84％。图5中的三维微纳结构其线条宽度值自身误差减少了33.7nm。

3、本发明方法还改善了微纳结构的边缘(表面)光滑度，从实施例二中图4可以看到，采用现有技术加工的线条在左右两端出现锯齿形凹槽，并且线条上表面出现了凸起，而采用本发明方法加工的结构无此现象，更加光滑。

附图说明

图1是本发明方法使用到的装置设备示意图；

图2是本发明基于复合扫描加工制造方法的加工流程图；

图3是根据本发明加工制造方法振镜与微移平台运动轨迹叠加后的光刻胶曝光轨迹示意图；

其中，图3(a)表示振镜按平面圆形抖动，平台水平向右移动；

其中，图3(b)表示振镜按简谐方式抖动，平台水平向右移动；

图4是本发明方法与传统加工方法制造的平面线条的结果对比图；

其中，图4(a)表示图4(b)中的线条是采用本发明方法制造的，其振镜与微移平台运动轨叠加方式为图3(b)方式；

其中，图4(b)是采用本发明方法制造的线条图；

其中，图4(c)是采用传统方法制造的线条图；

图5是本发明方法与传统加工方法制造的三维结构(woodpile结构)的结果对比图；

其中，图5(a)表示图5(b)中的woodpile结构是采用本发明方法制造的，其振镜与微移平台运动轨叠加方式为图3(b)方式；

其中，图5(b)是采用本发明方法制造的woodpile结构图；

其中，图5(c)是采用传统方法制造的woodpile结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。

实施例

本实施例公开了一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上涂上光刻胶；

S2、根据光刻胶的曝光需求对激光光源发射的光信号进行调整，包括扩束、偏振调节、相位调节、光强调节等等；

S3、将调整后的激光束先穿过二维振镜，再通过物镜聚焦于光刻胶中的指定位置；

S4、将待加工的三维结构模型沿纵轴方向拆分成若干个二维平面，每个二维平面图形由若干个点填充拟合而成；

S5、将所有的组合成三维模型结构的点的空间坐标信息导入到加工平台控制系统，加工平台指三维微纳微移平台；

S6、微移平台在控制系统预设的运动轨迹下移动，光刻胶在激光束照射下按照平台的运动轨迹进行曝光；

S7、在微移平台沿预设好的轨迹运动的同时，二维振镜按另外设置的振动方式振动。即聚焦在光刻胶里的光斑的曝光轨迹由二维振镜振动轨迹和三维微纳微移平台移动轨迹相叠加所组成。

上述S1的具体步骤为：采用玻片作为衬底，将光刻胶直接滴在玻片上。将附着有光刻胶的玻片放在三维微纳微移平台上。

上述S2的具体步骤为：激光光源采用飞秒脉冲激光，波长为可见光波段，激光光源发射的飞秒脉冲激光经过光路调整到二维振镜前，在振镜前设置一个光快门(shutter)，用于控制光束穿过快门进入物镜聚焦到加工材料的时间，其打开或关闭的时间由微移平台在两个点之间移动的时间决定。

光路中光快门为电平触发的机械开关或者声光调制器(AOM)。

上述S3的具体步骤为：将物镜垂直放在微移平台下面或者平台上面，即激光束可以从下往上穿过物镜也可以从上往下穿过物镜并聚焦于放置在微移平台上光刻胶中指定位置。

上述S4的具体步骤为：把要加工的结构用三维模型软件制作好，并将三维模型沿纵向“拆分”成若干个二维平面，再把每个二维平面转化成有许多个点填充拟合成的图形并提取出二维平面图形所有点的坐标(x,y,z)信息。

上述S5的具体步骤为：通过数据处理，得到以txt文本形式存储的待加工三维结构的所有点的空间坐标信息，再将txt文本载入加工平台控制系统。

上述S6的具体步骤为：导入到加工平台控制系统的txt文本不仅包含待加工结构每个点的坐标信息，还包含每个点的光开关(shutter)的开关状态，即曝光或不曝光。所有点的坐标按顺序形成一个运动轨迹，平台按运动轨迹移动，光刻胶根据焦点处的开关状态进行曝光。

其中，模型制作软件为3dsMAX或AutoCAD等；

其中，数据处理软件为MATLAB；

其中，加工平台控制系统用LabVIEW程序编写。

上述S7的具体步骤为：在三维微移平台开始移动的同时，打开振镜。振镜转动时，由于激光是经过振镜到达物镜并聚焦于光刻胶的，所以，聚焦后的光斑会根据振镜不同的转动方式，可以有圆周、单向、余弦等各种转动轨迹。振镜和微移平台同时移动，于是，光斑的转动轨迹叠加移动平台的运动轨迹共同组成了光刻胶的曝光轨迹。

实施例二

本实施例根据本发明的基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法，在商品名为SZ2080的光刻胶中制备由线条组成的结构的具体实施步骤进行详细说明：

(1)本实施例用到的加工设备如图1所示，图中记号为1的设备表示飞秒脉冲激光器，其发出激光脉冲的波长为532nm。激光束从激光器发出来穿过一个用来调节光强的1/2波片，在图中记号为2。然后激光束再通过一个光阑(3号)以及shutter(4号)到达二维振镜前(5号)。接着激光束从振镜穿过，经一个反射镜进入到竖直放置在三维平台下面的物镜内(7号)。最后通过调节平台的纵向高度，使得激光束光斑聚焦到放置在平台上(8号)的光刻胶中指定位置。由于光刻胶衬底为普通玻片，所以就使光斑聚焦于光刻胶与玻片的接触面。

(2)在(1)之后将S5中待加工结构的坐标信息txt文本导入控制系统，随即按照本发明方法的加工流程图(图2)所示进行加工。

(3)加工过程中关于S7中的振镜的振动轨迹结合图3更具体的说明如下：

根据本发明方法，振镜和位移平台的运动轨迹有两种组合方式，一种如图3(a)左边所示，振镜做二维平面圆形振动(实线圆圈表示)，水平向右的虚线表示微移平台的移动轨迹。加工时振镜和微移平台同时运动，两者的运动轨迹叠加将确定光刻胶的曝光轨迹。如果假设振镜圆形振动的半径为1μm，平台向右运动长度为10μm，则按图3(a)左边光刻胶曝光轨迹加工的结果为一个线条，其尺寸大小是一个宽2μm，长10μm(如图3(a)右边黑色长方形所示)；图3(b)左边表示的是另一种振镜和平台运动轨迹的组合方式，微移平台水平向右运动轨迹不变，振镜的振动轨迹为一维简谐运动，振动幅度确定线条宽度。若简谐运动的振幅为2μm，位移平台水平向右移动10μm，则最后加工得到的线条尺寸也是宽2μm，长10μm(如图3(b)右边黑色长方形表示)。

(4)本实施例使用本发明方法加工所得到的线条结构与单独使用平台加工所得到的结构质量对比如下：

图4中(b)、(c)中四个长方线条皆在同一加工参数下(激光功率15mW，平台移动速度1μm/s)制备而成，但(b)采用的是本发明中的复合扫描方法，其振镜和平台的轨迹叠加方式为第二种(即图3(b)所示)，(c)采用是传统的扫描方法。(b)中两个线条加工时间都为20秒，(c)中两个线条加工时间分别为100秒和160秒，所以，(b)加工时间比(c)减少了4到6倍。加工线条预设宽度为2.2μm，经测量，(b)线条宽度平均值为2.253μm和2.185μm，误差分别为2.4％，0.68％；(c)线条宽度平均值分别为2.274μm和2.388微米，误差分别为3.4％和8.5％。因此可知，采用本发明方法比采用传统单平台移动方发加工的结构的尺寸精度大幅提高，且加工时间大大减少。

图5(b)和5(c)为同样大小的woodpile结构，加工参数相同(激光功率15mW，平台移动速度10μm/s)。(b)结构采用本发明方法加工，其振镜和平台的轨迹叠加方式为第一种(即图3(a)所示)，(c)采用传统的扫描方法加工作为对比。分别随机测量(b)和(c)中某一根线条两个位置的宽度，(b)的测量值分别为384.5nm、384.5nm，(c)的测量值分别为344nm、377.7nm，即(b)结构线条自身宽度误差值为0，(c)结构线条的自身宽度误差为33.7nm。由图4与图5结果对比，可以确定采用本发明发法改进了三维微纳结构加工的尺寸精度、表面光滑度、减少了加工时间。

此外，需要说明的是本发明实施例中使用的加工控制系统部分为：整个控制系统在计算机上由LabVIEW程序编写，分成各个功能模块，振镜运动的坐标信息和加工结构的坐标信息通过文本文件形式导入到系统。加工过程加入CCD成像器(图1中9号设备)通过计算机(图1中10号)实时监控。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法，其特征在于，所述的加工方法包括下列步骤：

S1、在衬底上涂上光刻胶；

S2、根据光刻胶的曝光需求对激光光源发射的光信号进行调整，光信号的调整参数包括扩束、偏振调节、相位调节、光强调节；

S3、将调整后的激光束先穿过二维振镜，再通过物镜聚焦于光刻胶中的指定位置；

S4、将待加工的三维结构模型沿纵轴方向拆分成若干个二维平面，每个二维平面图形由若干个点填充拟合而成，过程如下：

把要加工的结构用三维模型软件进行制作，并将三维模型沿纵向“拆分”成若干个二维平面，再把每个二维平面转化成有许多个点填充拟合成的图形并提取出二维平面图形所有点的坐标（x,y,z）信息；

S5、将所有的组合成三维模型结构的点的空间坐标信息导入到加工平台的控制系统，其中，所述的加工平台采用三维微纳微移平台，过程如下：

通过数据处理，得到以txt文本形式存储的待加工三维结构的所有点的空间坐标信息，再将txt文本载入加工平台控制系统；

S6、微移平台在控制系统预设的运动轨迹下移动，光刻胶在激光束照射下按照平台的运动轨迹进行曝光；

S7、在微移平台沿预设好的轨迹运动的同时，二维振镜按另外设置的振动方式振动，即聚焦在光刻胶里的光斑的曝光轨迹由二维振镜振动轨迹和三维微纳微移平台水平移动轨迹相叠加所组成，该步骤中，在三维微纳微移平台开始水平移动的同时，打开振镜，振镜转动时，聚焦后的光斑会根据振镜不同的转动方式同时转动，其中，转动轨迹包括圆周、单向、余弦，振镜和微移平台同时移动，光斑的转动轨迹叠加移动平台的运动轨迹共同组成光刻胶的曝光轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法，其特征在于，所述的步骤S1中，采用玻片作为衬底，将光刻胶直接滴在玻片上，将附着有光刻胶的玻片放在三维微纳微移平台上。

3.根据权利要求1所述的一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法，其特征在于，所述的步骤S2中，激光光源采用飞秒脉冲激光，波长为可见光波段，激光光源发射的飞秒脉冲激光经过光路调整到二维振镜前，在振镜前设置一个光开关，用于控制光束穿过快门进入物镜聚焦到加工材料的时间，其打开或关闭的时间由微移平台在两个点之间移动的时间决定。

4.根据权利要求1所述的一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法，其特征在于，所述的步骤S2中，光路中光快门为电平触发的机械开关或者声光调制器。

5.根据权利要求1所述的一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法，其特征在于，所述的步骤S3中，将物镜垂直放在微移平台下面或者上面，即激光束从下往上穿过物镜或从上往下穿过物镜并聚焦于放置在微移平台上光刻胶中指定位置。

6.根据权利要求1所述的一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法，其特征在于，导入到加工平台控制系统的txt文本同时包含待加工结构每个点的坐标信息和每个点的光开关的开关状态，即曝光或不曝光，所有点的坐标按顺序形成一个运动轨迹，平台按运动轨迹移动，光刻胶根据焦点处的开关状态进行曝光。

7.根据权利要求1所述的一种基于复合扫描改进三维微纳结构的加工方法，其特征在于，所述的加工方法中，模型制作软件为3dsMAX或AutoCAD，数据处理软件为MATLAB，加工平台控制系统采用LabVIEW程序编写。

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