一种双光束微纳光学制造方法技术

本发明专利技术涉及一种双光束微纳光学制造方法，其步骤包括：S1根据待辐照加工材料的材料特性提供一制造光，在制造光的辐照下待辐照加工材料的材料性能发生改变；S2根据待辐照加工材料的材料特性提供一辅助光，辅助光能够阻碍待辐照加工材料在制造光的辐照下所发生的材料性能变化；S3调控制造光和辅助光，使得制造光在待辐照加工材料上所形成的第一局域光场分布和辅助光在待辐照加工材料所形成的第二局域光场分布的焦点在空间上重合，在第一局域光场的范围内形成未被第二局域光场重合的且作用于待辐照加工材料上的加工光场。本发明专利技术的制造方法可实现更小的特征尺寸，更高的分辨率，制造出的图案和结构具有较好的力学性能。

A double beam micro nano optical manufacturing method

The invention relates to a double beam micro nano optical manufacturing method. The steps include: S1 provides a manufacturing light according to the material properties of the irradiated material, and changes the material properties of the material to be irradiated under the irradiation of the manufacturing light; S2 provides an auxiliary light according to the material properties of the irradiated material, and the auxiliary light can be prevented. The changes in material properties that occur under irradiated irradiated materials are hindering. S3 controls the light making and auxiliary light, making the first local field distribution of the manufacturing light on the irradiated material and the focus of the auxiliary light on the second local light field distribution formed by the material to be irradiated. In the range of a localized light field, the processed light field which is not superimposed by the second localized light field and acts on the irradiated material is formed. The manufacturing method of the invention can achieve smaller characteristic size and higher resolution, and the patterns and structures produced have better mechanical properties.

【技术实现步骤摘要】
一种双光束微纳光学制造方法
本专利技术涉及一种微纳光学制造
，尤其涉及一种双光束微纳光学制造方法。
技术介绍
利用感光材料将设计好的图形转印到相应的基材上是一项古老的技艺。光学制造发端于150年前的胶片照相技术，应用于后来的胶版印刷、PCB电路板的制造，进而深入到集成电路在硅晶材料上纳米级尺寸的精细加工。除了广泛应用于集成电路制造、平板显示制造行业，光学制造技术近年来逐渐延伸到微纳制造、医药研发、微机电系统、流体制造等相关领域。利用光辐照作用，实现材料性能的改变，再通过保留或去除这些性能变化的材料，得以转印设计图案、三维结构的方法被广泛应用光学制造。从集成电路制造的紫外光刻到三维微纳结构制造的双光子或者多光子光刻；从大尺寸衍射光栅制作到全息记录和数据存储，都是通过将所需要制作的图案和结构利用被光改变了性能后的材料展示出来，实现图案和结构的精确复制。微纳尺度的精细制造中，材料光辐照区域和未被光辐照区域的变化对比是通过光在材料内部局域辐照来实现的。要制造精细的图案和结构，要求光在材料内部局域辐照的时候，所辐照的面积或体积要尽可能小。比如要在材料中制造出一条直线，一般地将光以单点的形式辐照在材料中并走过一条直线就可以实现。要使得这条直线的线径小，就要求光在材料中单点辐照的面积和体积小。为了实现微、纳米尺度的精细图案和结构的制造，光在材料内部的局域辐照一般通过光在材料中聚焦的形式实现。相比于加速电子、离子等，光具有便于穿透材料的优点，通过聚焦可实现光能量的集中，并缩小光的局域辐照面积或体积。在很小的体积中，集中很高的能力，为光作用于材料，实现材料性能改变提供了优良的条件，因而被广泛应用。通过聚焦，可将光聚集在很小的区域内，一般最小可做到亚微米尺度，因而利用光可实现微纳图案和结构的制造。光聚焦的聚集范围取决于所使用光的光学系统的性能。这主要由所使用光的波长和聚焦透镜集光能力，该能力以聚焦透镜的数值孔径来标准。一般地，光聚焦的特征尺寸正比于光的波长，反比于聚焦透镜的数值孔径。光的波长越短，数值孔径越大，就可以将光聚焦到越小的区域。根据德国科学家ErnstAbbe(1840-1905)的发现，光学系统光聚焦的最小特征尺寸大致等于光的波长除以两倍的数值孔径值。因为光聚焦的这种现象起源于光的衍射，该特征尺寸被称之为衍射极限。衍射极限的存在使得利用光实现微纳图案和结构制造的精细程度受到限制，主要体现在两个方面：第一是所制造图案和结构的特征尺寸难以更小，比如采用可见光制造图案和结构，线的线径难以在100纳米以下。第二是所制造图案和结构的特征密度难以很小，即所制造图案和结构中两条物理上分离的直线的中心距离难以很小。一般地，油浸显微物镜的数值孔径可达1.4，甚至1.65。然而，受限于要保证物镜的透光性等要求，商用显微物镜的数值孔径难以做到1.8以上，因为难以实现聚焦区域的大幅度缩小。常用的高精度，特别是纳米尺度的图案和结构的制造通常采用波长短的光来实现。比如集成电路制造中，采用193纳米的深紫外光，配上理论上可达1.44数值孔径的水浸物镜，可实现纳米精度的图案和结构。采用更短波长的光来实现更高精度的图案和结构制造，会带来光学系统成本的提高，以及可能会牺牲光能够聚焦于材料内部这一优点。同比之下，紫光光源的成本普遍高于可见光源成本。同时，紫外光能量比可见光高，材料对紫外光的吸收比对普通光强。这使得操控紫外光比操控可见光难度提高。一般可见光可利用镀金属反射镜来反射光，可利用玻璃甚至树脂透镜来聚焦光。然而，因为一般材料对紫外光的显著吸收，这些常用的操控可见光的方法会造成紫外光能量的严重损耗。193纳米的深紫外光在空气中传播的时候，空气对该紫外光都存在严重的吸收，这使得193纳米深紫外光刻系统要求真空的工作环境。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现状，提供一种双光束微纳光学制造方法。本专利技术采用的技术方案：一种双光束微纳光学制造方法，具体步骤包括：S1根据待辐照加工材料的材料特性提供一制造光，在所述制造光的辐照下所述待辐照加工材料的材料性能发生改变；S2根据待辐照加工材料的材料特性提供一辅助光，所述辅助光能够阻碍所述待辐照加工材料在所述制造光的辐照下所发生的材料性能变化；S3调控制造光和辅助光在待辐照加工材料中的局域光场分布相对位置，使得所述制造光在所述待辐照加工材料上所形成的第一局域光场分布和所述辅助光在所述待辐照加工材料所形成的第二局域光场分布的焦点在空间上重合，在第一局域光场的范围内形成未被第二局域光场重合的且作用于所述待辐照加工材料上的加工光场。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过调制辅助光，实现比没有辅助光时更小的特征尺寸和更高的分辨率，使得可见光制造实现10纳米以下的特征尺寸和50纳米的分辨率。利用可见光可聚焦于透明材料内部的优势，还可以在材料中加工出三维电子和光子结构。同时本专利技术可以使光学制造在辅助光的作用下，制造相同的图案和结构时，实现比没有辅助光时更强的力学强度。附图说明对本专利技术实施例描述中所涉及的附图进行简单介绍，以便于对本专利技术实施例中的技术方案进行更清楚、完整的说明，下面的附图仅仅针对本专利技术的一些实施例，并不用以限制本专利技术，在不进行其他创造性劳动的前提下，显然可以根据这些附图得到其他附图。图1为被辐照材料性能改变的第一种方式的示意图；图2为被辐照材料性能改变的第二种方式的示意图；图3a为被辐照材料性能改变的第三种方式的一种情况的示意图；图3b为被辐照材料性能改变的第三种方式的另一种情况的示意图；图4为本专利技术该双光束光学微纳制造方法应用在单焦点激光直写的装置图；图5为图4中制造光形成的光斑；图6为图4中辅助光形成的光斑；图7为图4中制造光与辅助光重合后的有效制造光斑；图8为2π旋涡相位片和π相位片；图9为图4中制造光微纳制造密度极限；图10为图1中制造光和辅助光共同作用提高微纳制造密度；图11为图4中制造光通过相位调制实现光斑阵列；图12为图4中辅助光通过相位调制实现与制造光同步的光斑阵列；图13为图4中通过将制造光和辅助光形成的光斑阵列重合后的有效制造光光斑斑阵列；图14为制造密度提高的微纳阵列结构；图15为制造密度提高的另一种微纳阵列结构；图16为本专利技术该双光束光学微纳制造方法应用在全息光栅制造的装置图；图17为图16中制造光形成的干涉条纹；图18为图16中制造光和辅助光形成的两套干涉条纹的叠加条纹。图19为制造光形成的全息光栅示意图；图20为制造光和辅助光共同作用下形成的全息光栅示意图；具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。本专利技术提供一种双光束微纳光学制造方法。首先选择待辐照加工材料，并且，该待辐照加工材料具有以下性质：辅助光不同于制造光对材料的具体响应，具体地，所述待辐照加工材料在制造光的辐照下材料性能发生改变，辅助光通过待辐照加工材料，使得制造光导致的材料性能改变不发生或者不充分发生。本专利技术所使用的待辐照加工材料通过以下三种方式在制造光、辅助光的作用下发生性能变化。第一种方式为分子反应和阻止分子反应的方式。在制造光的作用下，该方式所针对的材料发生一系列的化学反应，并最终在第一局域光场分布形成目标产物。这些化学反应包括：材料中原来的元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双光束微纳光学制造方法，其特征在于，步骤包括：S1根据待辐照加工材料的材料特性提供一制造光，在所述制造光的辐照下所述待辐照加工材料的材料性能发生改变；S2根据待辐照加工材料的材料特性提供一辅助光，所述辅助光能够阻碍所述待辐照加工材料在所述制造光的辐照下所发生的材料性能变化；S3调控制造光和辅助光在待辐照加工材料中的局域光场分布相对位置，使得所述制造光在所述待辐照加工材料上所形成的第一局域光场分布和所述辅助光在所述待辐照加工材料所形成的第二局域光场分布的焦点在空间上重合，在第一局域光场的范围内形成未被第二局域光场重合的且作用于所述待辐照加工材料上的加工光场。

【技术特征摘要】
1.一种双光束微纳光学制造方法，其特征在于，步骤包括：S1根据待辐照加工材料的材料特性提供一制造光，在所述制造光的辐照下所述待辐照加工材料的材料性能发生改变；S2根据待辐照加工材料的材料特性提供一辅助光，所述辅助光能够阻碍所述待辐照加工材料在所述制造光的辐照下所发生的材料性能变化；S3调控制造光和辅助光在待辐照加工材料中的局域光场分布相对位置，使得所述制造光在所述待辐照加工材料上所形成的第一局域光场分布和所述辅助光在所述待辐照加工材料所形成的第二局域光场分布的焦点在空间上重合，在第一局域光场的范围内形成未被第二局域光场重合的且作用于所述待辐照加工材料上的加工光场。2.根据权利要求1所述的一种双光束微纳光学制造方法，其特征在于，在所述制造光的辐照下所述待辐照加工材料的材料性能发生改变的方式为：在所述制造光的辐照下，所述待辐照加工材料发生化学反应，并使所述待辐照加工材料最终在所述第一局域光场分布形成目标产物；所述辅助光阻碍所述待辐照加工材料在所述制造光的辐照下所发生的材料性能变化的方式为：所述辅助光辐照时，所述辅助光以分子反应或者影响分子反应的形式使得所述第二局域光场分布形成的所述目标产物的产量降低或者所述待辐照加工材料到所述目标产物的转化率降低。3.根据权利要求1所述的一种双光束微纳光学制造方法，其特征在于，在所述制造光的辐照下所述待辐照加工材料的材料性能发生改变的方式为：在所述制造光的辐照下，所述待辐照加工材料吸收所述制造光，所述待辐照加工材料中的原子、分子吸收所述制造光的能量使其电子从基态跃迁到激发态，处于能量激发态的所述原子、分子发生反应，并最终使所述待辐照加工材料在第一局域光场分布形成目标产物；所述辅助光阻碍所述待辐照加工材料在所述制造光的辐照下所发生的材料性能变化的方式为：所述辅助光辐照时，所述辅助光以光损耗的形式使得所述第二局域光场分布中所述制造光形成的对所述目标产物形成有贡献的处于能量激发态的原子分子跃迁到对其目标产物形成没有贡献或者贡献少的其他能态，并最终使得所述待辐照加工材料在所述第二局域光场分布的所述目标产物的产量在所述辅助光的作用下比没有所述辅助光作用时少或者所述待辐照加工材料到最终目标产物的转化率低。4.根据权利要求1所述的一种双光束微纳光学制造方法，其特征在于，在所述制造光的辐照下所述待辐照加工材料的材料性能发生改变的方式为：在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘棕松，
申请(专利权)人：武汉舒博光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42