CN204631441U - 利用同步辐射大面积快速制备颜色滤波器的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种利用同步辐射大面积快速制备颜色滤波器的装置。本实用新型利用同步辐射软X射线照射四光栅组，通过挡板滤去其他衍射级次，只保留一级衍射条纹形成干涉图样，对玻璃基底上的光刻胶曝光形成周期性二维孔状微纳结构，通过精确控制样品台的二维平移，实现快速大面积拼接曝光。后续用电子束蒸镀技术将金属蒸镀于孔中，并通过超声清洗机剥离光刻胶实现玻璃基底上二维金属圆柱微纳结构阵列的颜色滤波器制备。本实用新型具有精度高、速度快、装置结构简单、易于操作等优点。制备出的滤波器具有大面积、偏振无关、超高透射率等特点，在色彩合成图像显示、图像传感器、数码摄像机、投影仪等领域的实际应用中具有重要作用。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学微器件制备技术，特别涉及一种利用同步辐射技术快速制备大面积颜色滤波器的装置。
背景技术
颜色滤波器是显示器、图像传感器、数码摄像仪、投影机和其他一些光学测量仪器中的重要光学元件。传统的颜色滤波器采用有机染料或化学颜料制备，有不稳定、易分解、易失效、制备复杂，成本高昂等缺点，在应用上受到一些限制。近年来，基于表面等离子激元的颜色滤波器引起了人们的极大兴趣。这种滤波器，通常是在单层光学厚度金属薄膜上刻蚀周期性微纳结构，可以简单地通过调节膜层材料和微纳结构的几何参数，在全可见光范围内实现颜色的精确调控，相比于传统的滤波器具有结构简单、易于集成以及在高温、高湿和长期光照下具有更大可靠性等优点。
在已经公开的专利及文献中，普通的光刻技术制备的微结构，精度低，很难达到亚波长的精度要求，因此基于表面等离子激元的颜色滤波器通常采用聚焦离子束刻蚀技术（FIB）和电子束曝光技术（EBL）等来制备，然而，这两种技术虽然具有高分辨率的优点，但由于其工作原理的局限性，所制备的微结构面积非常有限，FIB技术制备的面积一般小于10 微米 x 10微米，EBL技术曝光的面积一般也小于200微米x 200微米且用时通常需要几个至几十个小时之久。因此发展一种高分辨率、大面积快速制备颜色滤波器的方法显得尤为迫切。
实用新型内容
为了克服了现有技术的不足，本实用新型提供了一种利用同步辐射大面积快速制备颜色滤波器的装置。
一种利用同步辐射大面积快速制备颜色滤波器的装置，依次包括同步辐射软X射线光源系统、四光栅组、挡板、具有二维平移控制装置的样品台。
所述的同步辐射软X射线光源系统包括同步辐射软X射线、四刀狭缝、柱面镜、光阑。
所述的同步辐射软X射线光源系统，波长为8-15nm，曝光精度优于8nm。
所述的四光栅组中的每个光栅的面积大于200微米x 200微米，光栅周期最小可达100nm。
所述的二维平移控制装置：X，Y方向平移精度优于1微米，可平移范围10cm x 10cm。
本实用新型的有益效果：具有精度高、速度快、装置结构简单、易于操作等优点，制备出的滤波器具有大面积、偏振无关、超高透射率等特点，在色彩合成图像显示、图像传感器、数码摄像机、投影仪等领域的实际应用中具有重要作用。本实用新型利用同步辐射软X射线干涉光刻技术，精度优于8 nm，结合二维平移控制装置，最大曝光面积可达10 cm x 10 cm，同时单次曝光400微米x 400微米面积仅需10秒时间，具有高分辨率、大面积、快速等特点，极大地提高了制备效率。
附图说明
图1 是利用同步辐射大面积快速制备颜色滤波器方法的系统框图；
图2 是利用同步辐射大面积快速制备颜色滤波器方法的软X射线干涉光刻系统示意图；
图3 是利用同步辐射大面积快速制备颜色滤波器方法的光栅设计及具有高精度二维平移控制装置的样品台示意图；
图4是利用同步辐射大面积快速制备颜色滤波器的理论仿真透射光谱；
图5是本实用新型实施例中利用同步辐射软X射线干涉曝光蒸镀完金属银后孔状微纳结构的扫描电子显微图；
其中，图标1-第一四刀狭缝，2-第一柱面镜，3-第二柱面镜，4-第二四刀狭缝，5-光阑，6-四光栅组，7-挡板，8-二维平移样品台。
具体实施方式
本实用新型提出了利用同步辐射产生的软X射线具有高亮度、高相干性和低发射度的优点，通过多光栅无色差干涉，结合高精度二维平移控制装置，达到了快速大面积制备高分辨率、严格周期性颜色滤波器的目的。这种颜色滤波器利用光与金属表面微纳结构阵列的相互作用产生表面等离子体激元效应，白光照射到微纳结构阵列上，在光谱的某个波段会产生透射率极小值，相应的该颜色滤波器会呈现出该极小值波长所对应颜色的补色，而对该波长以外的光具有超高透射率。
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。
如图1所示，一种利用同步辐射大面积快速制备颜色滤波器的方法，包括以下步骤：
a．准备样品：将甩有光刻胶的玻璃基底置于具有二维平移控制装置的二维平移样品台8上；
b．干涉曝光：根据所需颜色对应的微结构参数，所述的微结构参数包括周期、膜厚、占空比，选择所需的四光栅组6，其中的光栅周期，可根据FDTD方法仿真得到所需微结构周期后通过公式计算得到；利用同步辐射软X射线照射四光栅组6，保留一级衍射条纹形成干涉图样，通过挡板7滤去其他衍射级次，对玻璃基底上的光刻胶进行曝光；
c．平移拼接：每完成一个单元（如400微米x 400微米）的曝光，控制样品台的二维平移，实现大面积拼接曝光；
d．蒸镀剥离：进行金属膜层蒸镀（如利用电子束蒸镀技术），对光刻胶进行剥离后（如利用超声清洗机）得到颜色滤波器。
所述的同步辐射软X射线，波长为8-15nm, 曝光精度优于8nm。
所述的四光栅组6中的每个光栅的面积大于200微米x 200微米，光栅周期最小可达100nm。
所述的二维平移，X，Y方向平移精度优于1微米，可平移范围10cm x 10cm。
所述的颜色滤波器面积最大可达10cm x 10cm。
如图2、3所示，一种利用同步辐射大面积快速制备颜色滤波器的装置，依次包括同步辐射软X射线光源系统、四光栅组6、挡板7、二维平移样品台8。
所述的同步辐射软X射线光源系统包括同步辐射软X射线、四刀狭缝（包括第一四刀狭缝1、第二四刀狭缝4）、柱面镜（包括第一柱面镜2、第二柱面镜3）、光阑5。
所述的同步辐射软X射线光源系统，波长为8-15nm，曝光精度优于8nm。
所述的四光栅组6中的每个光栅的面积大于200微米x 200微米，光栅周期最小可达100nm。
所述的二维平移控制装置：X，Y方向平移精度优于1微米，可平移范围10cm x 10cm。
同步辐射软X射线通过四刀狭缝及光阑的配合获得高通量相干光；通过两个柱面镜进行偏转聚焦，吸收热负载，截止高次谐波；照射到四光栅组形成衍射，保留一级衍射条纹形成干涉图样，通过挡板滤去其他衍射级次，对具有二维平移控制装置的样品台上玻璃基底上的光刻胶进行快速曝光，每完成一个单元（如400微米x 400微米）的曝光后，通过精确控制样品台的二维平移，实现快速大面积拼接曝光。曝光形成的微结构周期p和光栅周期Λ之间的关系为
其中λ为曝光所用软X射线波长，θ为相对的两光栅一级衍射光夹角。
实施例 240nm周期大面积超高透射率颜色滤波器的制备
首先通过商业软件FDTD Solutions进行理论仿真，金属材料为银，膜厚范围是10~50纳米，步长5纳米，周期范围是140~360纳米，步长10nm。仿真中用到的Ag的复折射率数据来自FDTD Solutions内部材料库，是Palik等人在实验中测得的不同波长下Ag的n，k值。数据在使用之前进行了拟合，拟合中共使用了3个系数，拟合容差为0.01。为了将散射光完全吸收，防止其遇到边界后反射到结构上干扰仿真结果，仿真中用到了完美匹配层（PML）边界条件。此外，为了实现周期性结构，减少运算时间，仿真中还用到了对称（Symmetric bc）和反对称（Anti-symmetric bc）边界条件。仿真中用到的光源是400~750纳米波段的白光平面波，FDTD仿真区域中的xmin、xmax边界设为反对称边界条件，ymin、ymax边界设为对称边界条件，zmin、zmax边界设为PML边界条件。
根据仿真结果，要获得品红颜色滤波器，二维Ag柱微纳结构的周期应为240 nm，圆柱直径与周期之比为0.5，柱高40 nm，图4为该颜色滤波器的理论仿真透射光谱，最高透射率达80%。根据公式（1），选择实验制备所需的光栅，周期应为340 nm。利用本实用新型的制备方法，将甩有光刻胶的玻璃基底置于具有二维平移控制装置的样品台上；利用同步辐射软X射线照射光栅周期为340 nm的四光栅组，通过挡板滤去其他衍射级次，只保留一级衍射条纹形成干涉图样，对玻璃基底上的光刻胶进行曝光；精确控制样品台的二维平移，实现大于10 cm x 10 cm面积的拼接曝光；利用电子束蒸镀技术将40 nm厚的Ag蒸镀于孔，并通过超声清洗机对光刻胶进行剥离，实现周期240 nm，占空比0.5，柱高40 nm的二维Ag柱结构颜色滤波器的制备。图5为利用同步辐射软X射线干涉曝光蒸镀完Ag后孔状微纳结构的扫描电子显微图。
Claims (5)
1.一种利用同步辐射大面积快速制备颜色滤波器的装置，其特征在于，依次包括同步辐射软X射线光源系统、四光栅组、挡板、具有二维平移控制装置的样品台。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的同步辐射软X射线光源系统包括同步辐射软X射线、四刀狭缝、柱面镜、光阑。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的同步辐射软X射线光源系统，波长为8-15nm，曝光精度优于8nm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的四光栅组中的每个光栅的面积大于200微米 x 200 微米，光栅周期最小可达100nm。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的二维平移控制装置：X，Y方向平移精度优于1微米，可平移范围10cm x 10cm。
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