專利名稱：一種利用飛秒激光制備微納壓印模版的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納結(jié)構(gòu)與器件制備和飛秒激光微納加工領(lǐng)域，特別是一種 利用飛秒激光在硬質(zhì)材料上制備微納結(jié)構(gòu)與器件壓印模版的方法。
技術(shù)背景微納壓印技術(shù)是在微納米尺度獲得復(fù)制結(jié)構(gòu)的一種而快速、低成本的方 法。該技術(shù)可以將印章上的結(jié)構(gòu)按需復(fù)制到大的表面上，被廣泛用于微納結(jié)構(gòu) 加工。微納壓印技術(shù)采用有微納米圖案的剛性模具將基片上的壓印材料壓出 微納米級花紋，再對壓印件進行常規(guī)的刻蝕、剝離等加工，最終制成納米結(jié) 構(gòu)和器件。它可以大批量重復(fù)性地在大面積上制備納米圖形結(jié)構(gòu)，并且所制 出的高分辨率圖案具有相當(dāng)好的均勻性和重復(fù)性。該技術(shù)還有制作成本極低、簡單易行、效率高等優(yōu)點。因此，與極端紫外線光刻、x射線光刻、電子束刻印等工藝相比，微納壓印技術(shù)具有突出的競爭力和廣闊的應(yīng)用前景。微納壓印技術(shù)中微納壓印模版制備是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于微納壓印模 版常使用硬質(zhì)材料，而硬質(zhì)材料的微納加工一直是國際上微納加工技術(shù)領(lǐng)域 的難點，尤其是硬質(zhì)材料的復(fù)雜三維微納加工。目前，已報道的微納壓印模版制備方法主要有平面工藝離子交換法、光敏石英玻璃法、全息法、菲涅耳波帶透鏡法、溶膠一凝膠法、光刻膠熔融法、PMMAX光照射及熔融法、電子 束刻蝕，以及激光刻蝕法等，然而這些方法均存在明顯不足比如加工精度不足、材料選擇性差、難以加工出復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)等等，難以滿足性能優(yōu)異的微納壓印模版制備要求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用飛秒激光制備微 納壓印模版的方法。在微納壓印模版的制備過程中，該方法將飛秒激光三維 微納加工技術(shù)目前成熟的壓印技術(shù)相結(jié)合，不僅簡化了制備工藝，降低了成 本，提高了壓印模版加工精度，而且擴大材料選擇范圍，突破微納壓印模版 尺寸的限制。更為重要的是，該方法為實現(xiàn)高重復(fù)性、低成本微納結(jié)構(gòu)與器 件批量生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，大大促進飛秒激光微納加工技術(shù)與微納壓印技術(shù)的產(chǎn) 業(yè)化發(fā)展。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣解決的將一束飛秒激光經(jīng)顯微物鏡聚焦在硬質(zhì)材料表面，通過飛秒激光對材料 的刻蝕以及三維精密移動平臺配合，實現(xiàn)微納壓印模版的制備，具體步驟如 下1) 選取制作微納壓印模版的硬質(zhì)材料；2) 將用于制作微納壓印模版的硬質(zhì)材料固定在三維精密移動平臺上，選 用脈沖寬度為30 150fs、波長為325 1200nm的超短脈沖激光，經(jīng)一個顯微 物鏡聚焦到材料表面；3) 超短脈沖激光單脈沖能量10nJ 5mJ、脈沖重復(fù)頻率10Hz 100kHz、脈 沖寬度30~150fs、三維精密移動平臺移動速率0.1^im/s 0.6mm/s，使激光聚 焦在硬質(zhì)材料表面，加工微納壓印模版；4) 在加工出微納壓印模版的基本形貌后，采取第二次形貌重復(fù)掃描的方法，超短脈沖激光單脈沖能量10nJ 5^J、脈沖重復(fù)頻率10Hz 100kHz、脈沖 寬度30~150fs，以及三維精密移動平臺移動速率0.1|iim/s~100^im/s，以控制 微納壓印模版的形貌的精度與表面粗糙度，制得微納壓印模版。所述的微納壓印模版的硬質(zhì)材料為石英玻璃、硅、殷鋼或不銹鋼。所述的顯微物鏡數(shù)值孔徑(N.A)為0.15 0.95。由激光加載系統(tǒng)和材料夾持系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)依次連接而成，其中激光 加載系統(tǒng)由飛秒激光器、望遠系統(tǒng)、可控光開關(guān)、可變衰減器、反射鏡、顯 微物鏡組成。由飛秒激光器輸出的飛秒激光，經(jīng)過可控光開關(guān)，由反射鏡導(dǎo) 入顯微物鏡聚焦。所述材料夾持系統(tǒng)由三維精密移動平臺、樣品臺、以及計算機組成。用 來夾持材料的樣品臺固定在三維精密移動平臺上，控制計算機與三維精密移 動平臺相連。所述監(jiān)控系統(tǒng)由CCD攝象機組成。該系統(tǒng)對加工過程實現(xiàn)實時監(jiān)控。 本發(fā)明的優(yōu)點在于(1) 本發(fā)明利用飛秒激光微納加工技術(shù)制備微納壓印模版，具有制備工藝 簡單、材料選擇性強、加工尺寸范圍大、精度較高等特點。(2) 本發(fā)明所制備微納壓印模版，可以滿足各項性能優(yōu)異、重復(fù)性高的微 納批量化生產(chǎn)需要，大大降低微納制造成本。(3) 本發(fā)明所述裝置操作性強、適用范圍廣。可以廣泛適用于各種基材的 微納壓印模版制備，促進微納壓印的發(fā)展和飛秒激光微納加工產(chǎn)業(yè)化 進程。


圖1為本發(fā)明S00nm飛秒激光在硬質(zhì)材料上制備微納壓印模版的方法的 示意圖。圖2為本發(fā)明400nm飛秒激光在硬質(zhì)材料上制備微納壓印模版的的方法 的示意圖。圖3微透鏡模版的加工軌跡的示意圖；圖4是4X4陣列微透鏡陣列壓印模版的示意圖；下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步詳細說明。
具體實施方式
參照圖1所示，由飛秒激光器1輸出的飛秒激光，脈沖寬度為30fs，波 長為800nm，脈沖頻率為lkHz，激光單脈沖能量3.5pJ，激光平均功率為3.5mw 的激光束，可控開關(guān)2、反射鏡4進入數(shù)值孔徑(N.A)為0.5的顯微物鏡5 聚焦到尺寸制備壓印模版的硬質(zhì)材料表面。硬質(zhì)材料6固定在樣品臺7上， 其移動通過由計算機9控制的三維精密移動平臺8實現(xiàn)。硬質(zhì)材料6按照制 作模版所需的加工軌跡進行移動并完成模版的加工，整個加工過程通過CCD 攝象機3實現(xiàn)實時監(jiān)控。參照圖2所示，由飛秒激光器l發(fā)出的飛秒激光，脈沖寬度為30fs，波 長為800nm，脈沖頻率為lkHz，激光單脈沖能量5pJ，激光平均功率為5mw 的激光束，通過光開關(guān)2、倍頻晶體10后轉(zhuǎn)換為脈沖寬度為50fs，波長為 400nm,脈沖頻率為lkHz，脈沖能量為300pJ的400nm的飛秒激光，再通過濾 光片11、反射鏡4、數(shù)值孔徑(N.A)為0.5的顯微物鏡5將400nm飛秒激光 光束聚焦在硬質(zhì)材料6上，硬質(zhì)材料6固定在樣品臺7上，其移動通過由計 算機9控制的三維精密移動平臺8實現(xiàn)。硬質(zhì)材料6按照制作模版所需的加工軌跡進行移動并完成模版的加工，整個加工過程通過CCD攝象機3實現(xiàn) 實時監(jiān)控。參照圖3所示，圖為飛秒激光在硬質(zhì)材料6上實現(xiàn)微透鏡模版的加工軌 跡，其移動通過由計算機9控制的三維精密移動平臺8實現(xiàn)。先由圓形螺旋 線軌跡又頂部向底部方向加工，直至加工到底部完成圓形螺旋線；其次，再 經(jīng)過過頂球面切線加工，并每加工完一個過頂球面切線，移動5度后再進行 頂球面切線加工，直至完成360。轉(zhuǎn)動，回到最初的過頂球面切線位置，完成 一個微透鏡壓印模版的加工。參照圖4所示，依次按照圖3所示方法，以中心距127pm，單微透鏡模 版直徑60pm，球冠高25pm的要求，加工出16個微透鏡陣列壓印模版，并 最后組成一個4X4微透鏡陣列壓印模版。 實施例1:鈦寶石飛秒激光器輸出飛秒激光，脈沖寬度30fs，波長為800nm，重復(fù) 頻率為lkHz,激光平均功率為3.5mw，用數(shù)值孔徑(N.A)為0.5、放大倍 數(shù)50倍的顯微物鏡聚焦在尺寸為5mmX5mmX lmm石英玻璃材料表面，聚 焦光斑直徑約1.5)im，樣品由計算機控制的三維精密移動平臺實現(xiàn)移動，移 動速率為200^im/s，并按照屈4所示的加工軌跡進行微透鏡模版的加工。并 依次重復(fù)加工出圖5所示的4X4陣列微透鏡陣列壓印模版制備，微透鏡直徑 60nm，高度25(xm，微透鏡間距中心距127pm。 實施例2:選取脈沖寬度30fs，波長為400nm,重復(fù)頻率為lkHz，激光平均功率為 5mw，用數(shù)值孔徑(N.A)為0.5、放大倍數(shù)50倍的顯微物鏡聚焦在尺寸為5mmX5mmXlmm石英石英玻璃材料表面，聚焦光斑直徑約1.5nm，樣品由 計算機控制的三維精密移動平臺實現(xiàn)移動，移動速率為200|um/S，并按照圖 4所示的加工軌跡進行微透鏡模版的加工。并依次重復(fù)加工出圖5所示的4 X4陣列微透鏡陣列壓印模版制備，微透鏡直徑60pm，高度25[im，微透鏡 間距中心距127pm。 實施例3:鈦寶石飛秒激光器輸出飛秒激光，脈沖寬度30fs，波長為800nm，重復(fù) 頻率為lkHz，激光平均功率為3.5mw，用數(shù)值孔徑(N.A)為0.5、放大倍 數(shù)50倍的顯微物鏡聚焦在尺寸為5mmX5mmX lmm硅材料表面，聚焦光斑 直徑約1.5pm，樣品由計算機控制的三維精密移動平臺實現(xiàn)移動，移動速率 為200|Lim/S，并按照圖4所示的加工軌跡進行微透鏡模版的加工。并依次重 復(fù)加工出圖5所示的4X4陣列微透鏡陣列壓印模版制備，微透鏡直徑60pm， 高度25^im，微透鏡間距中心距127pm。 實施例4:鈦寶石飛秒激光器輸出飛秒激光，脈沖寬度30fs，波長為800nm，重復(fù) 頻率為lkHz，激光平均功率為3.5mw,用數(shù)值孔徑(N.A)為0.5、放大倍 數(shù)50倍的顯微物鏡聚焦在尺寸為5mmX5mmXlmm殷鋼材料表面，聚焦光 斑直徑約1.5pm，樣品由計算機控制的三維精密移動平臺實現(xiàn)移動，移動速 率為200pm/s，并按照圖4所示的加工軌跡進行微透鏡模版的加工。并依次 重復(fù)加工出圖5所示的4X4陣列微透鏡陣列壓印模版制備，微透鏡直徑 60pm，高度25pm，微透鏡間距中心距127nm。 實施例5鈦寶石飛秒激光器輸出飛秒激光，脈沖寬度30fs，波長為800nm，重復(fù) 頻率為lkHz，激光平均功率為3.5mw，用數(shù)值孔徑(N.A)為0.5、放大倍 數(shù)50倍的顯微物鏡聚焦在尺寸為5mmX5mmX lmm不銹鋼材料表面，聚焦 光斑直徑約1.5pm，樣品由計算機控制的三維精密移動平臺實現(xiàn)移動，移動 速率為200)im/s，并按照圖4所示的加工軌跡進行微透鏡模版的加工。并依 次重復(fù)加工出圖5所示的4X4陣列微透鏡陣列壓印模版制備，微透鏡直徑 60|iim，高度25^m，微透鏡間距中心距127nm。
權(quán)利要求
1、一種利用飛秒激光制備微納壓印模版的方法，其特征在于，將一束飛秒激光經(jīng)顯微物鏡聚焦在硬質(zhì)材料表面，通過飛秒激光對材料的刻蝕以及三維精密移動平臺配合，實現(xiàn)微納壓印模版的制備，具體步驟如下1)選取制作微納壓印模版的硬質(zhì)材料；2)將用于制作微納壓印模版的硬質(zhì)材料固定在三維精密移動平臺上，選用脈沖寬度為30～150fs、波長為325～1200nm的超短脈沖激光，經(jīng)一個顯微物鏡聚焦到材料表面；3)超短脈沖激光單脈沖能量10nJ～5mJ、脈沖重復(fù)頻率10Hz～100kHz、脈沖寬度30～150fs、三維精密移動平臺移動速率0.1μm/s～0.6mm/s，使激光聚焦在硬質(zhì)材料表面，加工微納壓印模版；4)在加工出微納壓印模版的基本形貌后，采取第二次形貌重復(fù)掃描的方法，超短脈沖激光單脈沖能量10nJ～5μJ、脈沖重復(fù)頻率10Hz～100kHz、脈沖寬度30～150fs，以及三維精密移動平臺移動速率0.1μm/s～100μm/s，以控制微納壓印模版的形貌的精度與表面粗糙度，制得微納壓印模版。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光制備微納壓印模版的方法，其特 征在于，所述的微納壓印模版的硬質(zhì)材料為石英玻璃、硅、殷鋼或不銹鋼。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光制備微納壓印模版的方法，其特 征在于，所述的顯微物鏡數(shù)值孔徑(N.A)為0.15~0.95。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用飛秒激光制備微納壓印模版的方法，該方法將適合制作微納壓印模具的硬質(zhì)材料固定在三維精密平移臺上，利用顯微物鏡將一束飛秒激光聚焦在樣品表面，根據(jù)微納結(jié)構(gòu)與器件壓印模斑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過飛秒激光刻蝕和三維精密移動平臺的配合運動對材料進行微納加工，實現(xiàn)微納壓印模版的制備。該發(fā)明將飛秒激光微納加工技術(shù)同成熟的壓印成型技術(shù)結(jié)合，可以批量制備出復(fù)雜及三維的微納結(jié)構(gòu)與器件，大大提高了微納結(jié)構(gòu)與器件的制備效率，促進了微納壓印技術(shù)與飛秒激光微納加工技術(shù)的發(fā)展。
文檔編號B23K26/00GK101329508SQ20081015046
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者洵 侯, 劉賀煒, 司金海, 青 楊, 烽 陳 申請人:西安交通大學(xué)