CN109188869B - 一种在不透明基底上制备微结构的方法 - Google Patents

一种在不透明基底上制备微结构的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在不透明基底上制备微结构的方法，该方法引入螺旋塔图案，该螺旋塔图案为标示连续排列成的阵列，该阵列在水平面的投影中，由左向右横向排列n个标示后，朝上竖向排列n个标示，接着由右向左横向排列n个标示，然后向下竖向排列n‑1个标示…依次循环而构成回形图，各相邻标示在水平投影上的间距均为a，且各标示分别比按排列顺序位于其前面的标示竖向上升高度b，其中5≤n≤8，从而能在不同高度尝试刻写，进而找到合适的焦点起始位置，继而能实现在不透明基底上的准确光刻。本发明加工速度快，精度高，灵活性强，可在不透明基底上制备各种微结构，且制备过程简单易操作。

Description

一种在不透明基底上制备微结构的方法
技术领域
本发明涉及飞秒激光双光子聚合微加工领域，尤其涉及一种在不透明基底上制备微结构的方法。
背景技术
近年来，飞秒激光双光子聚合微加工技术逐渐引起人们的关注，并且应用的范围越来越广。单光子聚合是指分子在吸收一个能量为W的光子后，电子从基态跃迁到激发态后释放出能量为W-dW的荧光使材料聚合。而双光子聚合需要分子同时吸收两个能量为W/2的光子后，才能实现电子从基态跃迁到激发态，之后再释放出能量为W-dW的荧光使材料聚合。
现有技术中一般通过上述双光子聚合技术在透明基底上制备微结构，原因在于透明基底便于上下两路照明光通过，在制备过程中更容易对焦，并能看清微结构。然而，许多用于制备光电热器件及设备的材料大都是不透明的，例如：集成电路、芯片等的制作一般都是在非透明的硅片上进行的；石墨烯材料的制作，一般是在不透明的铜片基底上生长出来的。目前还未见利用双光子聚合技术在不透明基底上制备微结构的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术而提供一种在不透明基底上制备微结构的方法，采用该方法能在不透明基底上实现准确光刻。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种在不透明基底上制备微结构的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在载玻片的中央放置不透明基底，将不透明基底与载玻片固定，在不透明基底的中央滴光刻胶，盖上盖玻片，完成载具制作；
(2)打开飞秒激光器和微加工工作台，将飞秒激光器锁模之后导入到微加工工作台中，将上述制作的载具横向固定于微加工工作台的三维移动平台上；
(3)进行第一步调焦，以使视野中出现清晰的不透明基底的表面图像；
(4)调出预先设计好的螺旋塔图案，开始光刻，该螺旋塔图案为标示连续排列成的阵列，该阵列在水平面的投影中，由左向右横向排列n个标示后，朝上竖向排列n个标示，接着由右向左横向排列n个标示，然后向下竖向排列n-1个标示…依次循环而构成回形图，各相邻标示在水平投影上的间距均为a，且各标示分别相对于按排列顺序位于其前面的标示竖向上升高度b，其中5≤n≤8；
(5)光刻完成后，洗去未固化的光刻胶，将载具放到显微镜下进行观察，观察到高度h下的标示呈现清晰的像，记录该高度h作为飞秒激光双光子微加工的焦点起始位置；
(6)将光刻平台的视觉图像焦点调至不透明基底，即在视野中看到不透明基底的清晰的像，此时双光子汇聚焦点所在平面为基始面，将双光子汇聚焦点竖直向上移动上述高度h，接着打开飞秒激光器和微加工工作台，将所需光刻图案导入平台，进行有效光刻。
不透明基底具有多种类型，当所述不透明基底为表面粗糙的薄片时，所述步骤(6)中将光刻平台的视觉图像焦点调至不透明基底表面。
进一步，所述不透明基底为金属薄片。金属薄片具有多种具体的类型，当所述不透明基底为铜片，则上述高度h为13～30μm，进一步，h为22～24μm。
当所述不透明基底为表面光滑的薄片时，所述步骤(6)中将光刻平台的视觉图像焦点调至不透明基底内部。
进一步，所述不透明基底为非金属薄片。金属薄片具有多种具体的类型，当所述不透明基底为硅片时，上述高度h为19～25μm，进一步，h为21～23μm。
为能更快、更准确地获得所需的焦点起始位置，所述步骤(4)中横向间距和纵向间距a为10μm，上升高度b为1μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：由于微加工平台的图像传感器与双光子汇聚焦点不在同一水平面，因此在不透明基底光刻的图案在平台的操作视窗下不可见，导致无法准确的判断是否光刻出有效图案，因此本发明中引入螺旋塔图案，各标示分别比按排列顺序位于其前面的标示竖向上升同样的高度，从而能在不同高度尝试刻写，进而找到合适的焦点起始位置，继而能实现在不透明基底上的准确光刻。本发明加工速度快，精度高，灵活性强，可在不透明基底上制备各种微结构，且制备过程简单易操作。
附图说明
图1为本发明实施例中载具的结构示意图；
图2为本发明实施例中载具的剖视图；
图3为本发明实施例中螺旋塔图案的水平投影示意图；
图4为本发明实施例中螺旋塔图案的结构示意图；
图5为本发明实施例1中不透明基底上光刻图像示意图；
图6为本发明实施例1中h处于最佳高度下的光刻字母示意图；
图7为本发明实施例2中不透明基底上光刻图像示意图；
图8为本发明实施例1中h处于最佳高度下的光刻字母示意图.
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
一种在不透明基底上制备微结构的方法，本实施例中该不透明基底为铜片，其包括以下步骤：
(1)在载玻片1(规格为25.4×76.2mm，厚度1～1.2mm)的中央放置不透明基底2(铜片，规格为10×10mm厚度25μm)，采用胶带纸3(规格为15×Xmm，厚度60μm)沿不透明基底2与载玻片1周缘之间的间隙将不透明基底2与载玻片1粘接，其中，胶带纸3仅覆盖不透明基底2的边缘部分，这样既能固定不透明基底2，又能为光刻胶预留蚀微结构的空间。在不透明基底2的中央滴光刻胶，盖上盖玻片4(规格为20×20mm，厚度300μm)，完成载具制作，如图1和2所示。
(2)打开飞秒激光器和微加工工作台，将飞秒激光器锁模之后导入到微加工工作台中，将上述制作的载具横向固定于微加工工作台的三维移动平台上。
(3)进行第一步调焦，以使视野中出现清晰的不透明基底的表面图像。
(4)调出预先设计好的螺旋塔图案，开始光刻。该螺旋塔图案为标示连续排列的阵列，该阵列在水平面的投影中，由左向右横向排列n个标示后，朝上竖向排列n个标示，接着由右向左横向排列n个标示，然后向下竖向排列n-1个标示…依次循环而构成回形图，各相邻标示在水平投影上的间距均为a，且各标示分别相对于按排列顺序位于其前面的标示竖向上升高度b，5≤n≤8。
(5)光刻完成后，洗去未固化的光刻胶，将载具放到显微镜下进行观察，观察到高度h下标示呈现清晰的像，记录该高度h作为飞秒激光双光子微加工的焦点起始位置。本实施例中高度h为13-30μm。
(6)将光刻平台的视觉图像焦点调至不透明基底表面，即在视野中看到不透明基底的清晰的像，此时双光子汇聚焦点所在平面为基始面，将双光子汇聚焦点竖直向上移动上述高度h，接着打开飞秒激光器和微加工工作台，将所需光刻图案导入平台，进行有效光刻。
铜片上光刻图像如图5所示，可以发现铜片上从字母M到d都能得到相对清晰的光刻图案，即双光子汇聚焦点从基始平面开始向上移动13～30μm进行光刻都能得到相对清晰有效的光刻图案。进一步，当h为22～24μm时，即双光子汇聚焦点向上移动22～24μm时，光刻时能够将所刻图案与基底有效结合而不被去除，也能有效将图案全部形貌保留在基底表面上而不会将图案结构过多的与基底结合，铜片上最清晰的字母Y，如图6所示。
由于双光子聚合光刻所用激光多是近红外光，即使其他照明光也是氦氖激光等红色光，在非透明基底上无法起到照明作用，因此使用该技术制备微结构往往是在透明的基底上进行，以便于照明光的通过，为解决无法在非透明基底上光刻的技术难题，本发明利用上述螺旋塔图案在非透明基底上光刻。本实施例中，为了方便排序辨认，上述螺旋塔图案采用的标示为字母和数字，共计64个(即上述n为8)，各字母或数字的大小为20μm×20μm，上述a为10μm，b为1μm，其排列先后顺序为：A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q、R、S、T、U、V、W、X、Y、Z、a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q、r、s、t、u、v、w、x、y、z、0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B。即本实施例中的螺旋塔图案从第一个A开始向上螺旋上升(如图3中箭头方向所示)，如图3和图4所示。本实施例中，每一个字母或数字上升1μm是为了在不同高度上尝试刻写，从基始平面开始刻写，每刻完前一个字母或数字时双光子汇聚焦点上升1μm后开始刻写下一个字母或数字，双光子汇聚焦点逐渐抬高，共计抬高64μm。光刻胶只有在焦点处才能发生双光子聚合而固化，利用无水乙醇将未固化的光刻胶去除，同时双光子汇聚焦点不在基底表面合适高度上光刻的字母或数字由于与基底没有有效结合，在无水乙醇清洗时也会被去除，为无效的光刻图案，清洗后剩余清晰字母或数字图案为有效光刻图案。
实施例2：
与实施例1不同的是，本实施例中该不透明基底为硅片，以下对在硅片上制备微结构的方法进行详述，其他未描述部分与实施例1相同。在硅片上制备微结构的方法包括以下步骤：
(1)在载玻片1(规格为25.4×76.2mm，厚度1～1.2mm)的中央放置不透明基底2(硅片，规格为10×10mm厚度1000μm)，采用胶带纸3(规格为15×Xmm，厚度60μm)沿不透明基底2与载玻片1周缘之间的间隙将不透明基底2与载玻片1粘接，其中，胶带纸3仅覆盖不透明基底2的边缘部分，这样既能固定不透明基底2，又能为光刻胶预留蚀微结构的空间。在不透明基底2的中央滴光刻胶，盖上盖玻片4(规格为20×20mm，厚度300μm)，完成载具制作，如图1和2所示。
(2)打开飞秒激光器和微加工工作台，将飞秒激光器锁模之后导入到微加工工作台中，将上述制作的载具横向固定于微加工工作台的三维移动平台上。
(3)进行第一步调焦，以使视野中出现清晰的不透明基底的表面图像。
(4)调出预先设计好的上述螺旋塔图案，开始光刻。
(5)光刻完成后，洗去未固化的光刻胶，将载具放到显微镜下进行观察，观察到高度h下标示呈现清晰的像，记录该高度h作为飞秒激光双光子微加工的焦点起始位置。本实施例中高度h为19～25μm。
(6)将光刻平台的视觉图像焦点调至不透明基底内部，即在视野中看到不透明基底的清晰的像，此时双光子汇聚焦点所在平面为基始面，将双光子汇聚焦点竖直向上移动上述高度h，接着打开飞秒激光器和微加工工作台，将所需光刻图案导入平台，进行有效光刻。
硅片上光刻图像如图7所示，可以看出硅片上从字母S到Y同样是相对清晰有效的光刻图案，即从基始平面开始向上移动双光子焦点19～25μm进行光刻都能得到相对清晰的光刻图案。进一步，当上述高度h为21～23μm，即双光子汇聚焦点向上移动21～23μm时，硅片上最清晰的字母X，如图8所示。
上述实施例中，两种不同材料基底上光刻图案的差异，源自于两种材料表面的粗糙度的不同，相比于硅片，铜片表面更加粗糙，光刻胶更容易与表面粗糙结构结合，当激光焦点扫过时，将粗糙结构与光刻胶固化在一起，使结构更加稳定，而硅片表面非常光滑，只有与表面结紧密的结构才不会在清洗时被去除。
上述实施例中所用的光刻胶为即紫外线固化UV胶、光敏胶、无影胶，在紫外线的照射下吸收紫外光后在数秒钟内由液态转化为固态。飞秒激光器选用美国相干公司市售的飞秒激光器，型号为Mari-f900，出射波长设定为780nm，频率为76MHz，当然也可以采用其它型号的市售飞秒激光器，只要求能出射780nm波长的红外激光并能锁模即可。所用的三维移动加工台是Newport公司提供的uFAB微加工平台，可以通过电脑连接的控制器以及电脑配套的软件控制三维移动微加工平台X、Y、Z三个方向移动，整个加工过程由CCD进行监测，He-Ne激光器作为辅助照明光源。所用的光刻胶为市售的负光刻胶，有较高了分辨率，具有未曝光时可溶于乙醇等有机试剂、曝光之后不溶于乙醇等有机试剂的特点。

Claims (10)

1.一种在不透明基底上制备微结构的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在载玻片的中央放置薄片状的不透明基底，将不透明基底与载玻片固定，在不透明基底的中央滴光刻胶，盖上盖玻片，完成载具制作；
(2)打开飞秒激光器和微加工工作台，将飞秒激光器锁模之后导入到微加工工作台中，将上述制作的载具横向固定于微加工工作台的三维移动平台上；
(3)进行第一步调焦，以使视野中出现清晰的不透明基底的表面图像；
(4)调出预先设计好的螺旋塔图案，开始光刻，该螺旋塔图案为标示连续排列的阵列，该阵列在水平面的投影中，由左向右横向排列n个标示后，朝上竖向排列n个标示，接着由右向左横向排列n个标示，然后向下竖向排列n-1个标示…依次循环而构成回形图，各相邻标示在水平投影上的间距均为a，且各标示分别相对于按排列顺序位于其前面的标示竖向上升高度b，其中5≤n≤8；
(5)光刻完成后，洗去未固化的光刻胶，将载具放到显微镜下进行观察，观察到高度h下的标示呈现清晰的像，记录该高度h作为飞秒激光双光子微加工的焦点起始位置；
(6)将光刻平台的视觉图像焦点调至不透明基底，即在视野中看到不透明基底的清晰的像，此时双光子汇聚焦点所在平面为基始面，将双光子汇聚焦点竖直向上移动上述高度h，接着打开飞秒激光器和微加工工作台，将所需光刻图案导入平台，进行有效光刻。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不透明基底为表面粗糙的薄片，所述步骤(6)中将光刻平台的视觉图像焦点调至不透明基底表面。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述不透明基底为金属薄片。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述不透明基底为铜片，则上述高度h为13～30μm。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述高度h为22～24μm。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不透明基底为表面光滑的薄片，所述步骤(6)中将光刻平台的视觉图像焦点调至不透明基底内部。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述不透明基底为非金属薄片。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述不透明基底为硅片，上述高度h为19～25μm。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述高度h为21～23μm。
10.如权利要求1～9任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中a为10μm，b为1μm。
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